Проблеми сучасної теорії елементарних часток. Елементарні частинки. Електромагнітна модель нейтрону

Вільям Гільберт сформулював приблизно 400 років тому постулат, який можна вважати головним постулатом природничих наук. Незважаючи на те, що в наш час неможливо знайти дослідника, який був би не згодний з цим твердженням, ціла низка сучасних фізичних теорій не задовольняє цей принцип.

У фізиці мікросвіту існує кілька загальноприйнятих моделей, які також не задовольняють постулату Гільберта. Ці моделі не дозволяють обчислити основні характерні параметри, такі як маси і магнітні моменти елементарних частинок. У цій статті розглянуто альтернативний підхід до вирішення цієї проблеми.

Розглянуто новий підхід до проблеми природи ядерних сил. Показано, що тяжіння у парі протон – нейтрон може виникати рахунок обміну релятивістським електроном. Оцінка енергії такого обміну узгоджується з експериментальним значенням енергії зв'язку деяких легких ядер. Нейтрон при цьому розглядається як складова частка, що складається з протона та релятивістського електрона, що дозволяє передбачити його масу, магнітний момент та енергію його розпаду.

У рамках стандартної максвелівської теорії електромагнітного поля показано, що є можливість порушити в порожньому просторі (ефірі) магнітний γ-квант (сплеск магнітного поля), позбавлений електричної складової та спина ħ / 2. Характерною особливістю такого магнітного γ-кванта є слабкість його взаємодії з речовиною, яка на багато порядків менша, ніж у електромагнітної хвилі. Ці властивості дозволяють припускати, що магнітний γ-квант можна ототожнити з нейтрино. На цій підставі вдається по-новому поглянути на природу π-мезону, μ-мезону та λ-гіперону, обчисливши їх маси та магнітний момент.

1. Головний постулат природничих наук.

1.1. Постулат Гільберта та сучасна фізика.

2. Протон та нейтрон.

2.1. Протон і нейтрон у кварковій моделі Гелл-Манна.

2.2. Модель протона, що складається з кварків із цілим зарядом.

2.3. Фізичні властивості нейтрону.

2.4. Структура нейтрону.

2.4.1. Електромагнітна модель нейтрону.

2.4.2. Основні параметри нейтрону.

2.5. Обговорення.

3. Про природу ядерних сил.

3.1. Молекулярний водень іон.

3.2. дейтрон.

3.3. Легкі ядра.

3.3.1. Ядро 3 2 He.

3.3.2. Ядро 4 2 He.

3.3.3. Ядро 6 3 Лі.

3.4. Обговорення.

4. Нейтрино та мезони.

4.1. Нейтріно.

4.2. Мезони.

4.3. Збуджений стан з S = 0.

4.4. Збуджений стан з n= 2 і S = ħ  / 2.

5. Висновок.

1. Головний постулат природничих наук

Нашим сучасникам, рівень освіти яких відповідає розвитку наук у XXI столітті, може здатися, що середньовічна наука була зосереджена на теології, астрології та алхімії. Але це зовсім не так. Середньовіччя було часом розробки основ сучасної науки.

Середньовічний вчений Вільям Гільберт (1544...1603) ввів у науковий побут поняття електричного та магнітного полів, зробивши перший крок до розуміння природи електромагнетизму. Він перший спробував пояснити природу магнітного поля Землі. Але при цьому здається, що найважливішим його внеском у науку є розроблений ним принцип, що став головним принципом сучасних природничо-наукових досліджень.

* Можна припускати, що ідея цього принципу, як кажуть, витала у повітрі серед освічених людей того часу. Але знайшов своє формулювання, яке дійшло до нас, цей принцип завдяки У. Гільберту.

Принцип Гільберта формулюється просто:

Усі теоретичні побудови, які претендують бути науковими, мають бути перевірені та підтверджені експериментально.

Здається, що серед наших сучасних вчених немає нікого, хто б заперечував проти цього. Однак і в ХХ столітті була створена ціла низка наукових побудов, які були прийняті науковою спільнотою і досі є домінуючими у своїх галузях знання, але при цьому вони не задовольняють принцип Гільберта.

1.1. Постулат Гільберта та сучасна фізика

Слід наголосити, що в переважній більшості сучасні теоретичні моделі адекватно і точно відображають властивості речовини та закони Природи, оскільки на всіх етапах побудова цих теорій ведеться у повній відповідності до принципу Гільберта.

Але в ряді випадків моделі, розроблені теоретиками, виявилися невірними.

Розглянемо деякі проблеми мікросвіту, під час вирішення яких було порушено принцип Гільберта.

2. Протон та нейтрон

2.1. Протон і нейтрон у кварковій моделі Гелл-Манна

Складається враження, що фахівці з фізики елементарних частинок спочатку виходили з припущення, що при створенні світу кожній елементарній частинці індивідуально підбиралися відповідні параметри: заряд, спина, маса, магнітний момент і т.д.

Гелл-Ман дещо спростив цю роботу. Він розробив правило, згідно з яким набір кварків визначає сумарний заряд і спін елементарної частинки, що формується. Але маси та магнітні моменти цих частинок під це правило не підпадають.

Мал. 1.Кваркова будова протона та нейтрону за Гелл-Манном. Заряди кварків підбираються так, щоб перетворення нейтрона на протон здійснювалося заміною одного d-кварка на u-кварк. На прогноз мас і магнітних моментів протона і нейтрону модель Гелл-Манна не претендує

Кваркова модель Гелл-Манна припускає, що кварки, з яких складаються всі елементарні частинки (за винятком найлегших), повинні мати дрібний (рівний 1/3 eабо 2/3 e) електричним зарядом.

У 60-ті роки після формулювання цієї моделі багато експериментаторів намагалися знайти частинки з дробовим зарядом. Але безуспішно.

Щоб це пояснити було припущено, що з кварків характерний конфайнмент, тобто. властивість, що забороняє їм якось проявляти себе у вільному стані. При цьому зрозуміло, що конфайнмент виводить кварки з принципу Гільберта. У такому вигляді модель кварків із дробовими зарядами претендує на науковість без підтвердження даними вимірювань.

Слід зазначити, що модель кварків вдало описує деякі експерименти розсіювання частинок при високих енергіях, наприклад, утворення струменів або особливість розсіювання часток високих енергій без руйнування. Однак цього здається мало для того, щоб визнати існування кварків із дробовим зарядом.

2.2. Модель протона, що складається з кварків із цілим зарядом

Поставимо собі за мету сконструювати модель протона з кварків з цілим зарядом так, щоб вона передбачала масу і магнітний момент протона. Припускатимемо, що, як і в моделі Гелл-Манна, протон складається з трьох кварків. Але в нашому випадку два з них мають заряд. eі один – e. Нехай власним спином ці кварки не мають, а їх квантовий рух виражається їх обертанням навколо загального центру по колу радіусу R.

Мал. 2.

Нехай величина радіусу Rвизначається тим, що на довжині кола 2π Rукладається довжина дебройлівської хвилі кварка λ D:

Узагальнений момент кількості обертання (спин) системи буде складено з двох доданків: з механічного моменту обертання всіх трьох кварків 3 p q ×  Rі моменту імпульсу магнітного поля, створюваного кварком з не скомпенсованим зарядом \(\frac(e)(c)(\bf(A))\):

та магнітний момент кругового струму

тут β = v/c.

Виходячи з того, що величина спина протона дорівнює ħ / 2, маємо

Сумарна маса трьох кварків

З урахуванням величини маси кварка (8), створюваний ним магнітний момент виходить рівним

2.3. Фізичні властивості нейтрону

У кварковій моделі Гелл-Манна нейтрон передбачається елементарною частинкою тому, що він складається з іншого набору кварків, ніж протон. У 30-ті роки минулого століття фізики-теоретики дійшли висновку про елементарність нейтрона, не спираючись на дані вимірів, яких на той час не було.

Щоб пояснити дані вимірювань параметрів нейтрону – магнітного моменту нейтрону, маси та енергії його розпаду – розглянемо електромагнітну модель нейтрону, в якій він не є елементарною частинкою.

Припустимо, що нейтрон, так само як і борівський атом водню, складається з протона, навколо якого на дуже малій відстані від нього обертається електрон. Поблизу протона рух електрона має бути релятивістським. Однак особливість стійкої орбіти, що формується при цьому, в тому, що при її обчисленні всі релятивістські поправки компенсують один одного і повністю випадають.

Розглянемо електромагнітну модель нейтрона докладніше.

2.4. Структура нейтрону

2.4.1. Електромагнітна модель нейтрону

Спочатку після відкриття нейтрону у фізиці обговорювалося питання про те, чи слід його вважати елементарною частинкою. Експериментальних даних, які могли б допомогти вирішити це питання, не було, і незабаром склалася думка, що нейтрон подібно до протону – елементарна частка. Однак той факт, що нейтрон нестабільний і розпадається на протон та електрон (+ антинейтрино), дає підставу відносити його до неелементарних складових частинок.

Розглянемо складову частинку, у якій навколо протона зі швидкістю v → cобертається частка з масою спокою m eта зарядом – e. (Раніше подібний підхід був розглянутий у роботах та ).

Виберемо циліндричну систему координат, у якій вісь zзбігається з напрямком магнітного моменту протону

Між позитивно зарядженим протоном і негативно зарядженим електроном має існувати сила кулонівського тяжіння (§24):

яке проявляється в силі Лоренца:

і силою, що створюється магнітним полем кільця, що прагне його розірвати

В результаті це рівняння рівноваги з невідомими R 0 і β набуває вигляду:

Магнітне поле у ​​системі створюється магнітним моментом протона

Тут α = e 2  / ħc- Постійна тонкої структури,

r c = ħ  / m e c- Радіус Комптона.

Для того, щоб записати друге рівняння, що зв'язує ці параметри, використовуємо теорему віріалу. Відповідно до цієї теореми кінетична енергія частинок, об'єднаних електромагнітною взаємодією, при їх фінітному русі дорівнює половині їх потенційної енергії, взятої зі зворотним знаком:

тому друге рівняння, що зв'язують ці параметри, набуває вигляду:

При цьому магнітний момент струмового кільця, виражений в ядерних магнетонах N

Ця величина добре узгоджується з виміряним значенням магнітного моменту нейтрону (ξ n = –1,91304272):

Відповідно до теореми вириала повна енергія аналізованої системи має дорівнювати її кінетичної енергії (26):

Ця енергія при розпаді нейтрону перейде в кінетичну енергію електрона, що вилітає (і антинейтрино), що точно узгоджується з експериментально визначеною межею спектру розпадних електронів, що дорівнює 782 кеВ.

2.5. Обговорення

У розглянутій вище моделі протона, складеної з кварків із цілими зарядами, не виникає питання із спостереженням кварків у вільному стані. Однак залишається багато незрозумілого.

Незрозуміло куди зникає магнітний момент позитрона, що формує протон. Магнітний момент електрона, що формує нейтрон, не виявляє себе у зв'язку з тим, що спин кільцевого струму дорівнює нулю. Однак із кварком-позитроном це не так. Незрозуміло чому кварк-позитрон не анігілює з кварком-електроном, і які взаємодії змушують їх об'єднатися у цілком стабільну частинку – протон, розпадів якого у природі немає.

Отримана згода оцінок з даними вимірювань властивостей нейтрону говорить про те, що він не є елементарною частинкою. Його слід розглядати як якийсь релятивістський аналог борівського атома водню. З тією відмінністю, що у борівському атомі нерелятивістський електрон утримується на оболонці кулонівськими силами, а нейтроні релятивістський електрон утримується переважно рахунок магнітного взаємодії . Відповідно до постулату Гільберта підтвердження досвідом розглянутої вище електромагнітної моделі нейтрона є необхідним і цілком достатнім аргументом її достовірності.

Тим не менш, для розуміння моделі важливо використовувати при її побудові загальноприйнятий теоретичний апарат. Слід зазначити, що з вчених, звиклих до мови релятивістської квантової фізики, методика, використана вище під час проведення оцінок, при побіжному погляді сприяє сприйняттю отриманих результатів. Прийнято думати, що з достовірності, облік впливу релятивізму на поведінку електрона в кулонівському полі має бути проведено рамках теорії Дірака. Однак у конкретному випадку обчислення маси нейтрона, його магнітного моменту і енергії розпаду в цьому немає необхідності, оскільки спин електрона в стані дорівнює нулю і всі релятивістські ефекти, що описуються доданками з коефіцієнтами \((\left((1 - \frac((( v^2)))(((c^2)))) \right)^( - 1/2))\), компенсують один одного і повністю випадають. Розглянутий нашій моделі нейтрон є квантовим об'єктом, оскільки радіус R 0 пропорційний постійної Планка ħ , але формально його вважатимуться релятивістським, т.к. коефіцієнт \((\left((1 - \frac(((v^2))))(((c^2)))) \right)^( - 1/2))\)у визначення R 0 не входить. Це дозволяє провести обчислення маси нейтрона, його магнітного моменту та енергії розпаду, просто знаходячи рівноважні параметри системи з умови балансу сил, як це прийнято для нерелятивістських об'єктів. По-іншому ситуація з оцінкою часу життя нейтрона. На цей параметр релятивізм мабуть має впливати. Без його обліку не вдається правильно оцінити час життя нейтрона по порядку величини.

3. Про природу ядерних сил

3.1. Молекулярний іон водню

У 1927 році було опубліковано квантово-механічне опис найпростішої молекули – молекулярного іона водню. Автори цієї статті В. Гайтлер і Ф. Лондон розрахували тяжіння, яке виникає між двома протонами рахунок обміну електроном у разі, якщо стан молекулярного іона описується двоямним потенціалом (рис. 3). Цей обмін є квантово-механічним ефектом і його класичного аналога немає. (Деякі деталі цього розрахунку наведено у ).

Головний висновок цієї роботи полягає в тому, що енергія зв'язку між двома протонами, що виникає за рахунок обміну електроном, по порядку величини близька до енергії зв'язку протону та електрона (енергії електрона на першій борівській орбіті). Цей висновок задовільно узгоджується з даними вимірювань, які дають результат, який відрізняється від розрахункового менш ніж удвічі.

Мал. 3.Схематичне уявлення симетричного двоямного потенціалу. В основному стані електрон може або у правій, або в лівій частині ями. У незбуреному стані його енергія дорівнює E 0 . Тунелювання з одного стану в інший веде до розщеплення основного рівня та зниження енергетично вигідного стану на Δ

Мал. 4.Схематичне зображення структури легких ядер. Уривчаста лінія ілюструє можливість обмінного переходу релятивістського електрона між протонами

3.2. Дейтрон

Електромагнітна модель нейтрону, розглянута вище, дозволяє по-новому подивитись механізм взаємодії нейтрону з протоном. Нейтрон – тобто. протон, оточений релятивістською електронною хмарою – і вільний протон становлять разом об'єкт, подібний до молекулярного іону водню. Відмінність у цьому, що у разі електрон є релятивістським, радіус його орбіти R 0 ≈ 10 –13 см (28) та маса приблизно 2,57 m e.

Додаток результатів квантово-механічних обчислень Гайтлера – Лондона на цей випадок дає можливість оцінити енергію зв'язку дейтрона з точністю приблизно такою самою, як і у разі молекулярного іона водню. Оцінка передбачає величину енергії зв'язку приблизно дорівнює 2,13 · 10 -6 ерг, тоді як вимірювання дають

3.3. Легкі ядра

3.3.1. Ядро 3 2 He

З рис. 4, на якому схематично показані енергетичні зв'язки в ядрі 3 2 He видно, що вони складені трьома парними взаємодіями протонів. Тому слід припускати, що енергія зв'язку цього ядра повинна дорівнювати потрійній енергії зв'язку дейтрона:

Дефект маси цього ядра

Згода оцінки E He3 з виміряним значенням енергії зв'язку E(3 2 He) можна вважати дуже добрим.

3.3.2. Ядро 4 2 He

Зі схеми енергетичних зв'язків у ядрі 4 2 He, показаної на рис. 4 видно, що ці зв'язки утворені шістьма парними взаємодіями протонів, що реалізується двома електронами. З цієї причини можна припускати, що енергія зв'язку ядра 4 2 He повинна дорівнювати:

Дефект маси цього ядра

Цей дефект маси відповідає енергії зв'язку

Таку згоду цих величин можна вважати задовільним.

3.3.3. Ядро 6 3 Li

Можна припускати, що енергія зв'язку ядра Li - 6 повинна бути близькою до суми енергій зв'язку ядра He - 4 і дейтрону, що знаходиться на наступній оболонці:

Таке припущення можливе, якщо обмін електроном між протонами різних оболонок утруднений.

У той же час, дефект маси цього ядра

та пов'язана з ним енергія зв'язку

що справді підтверджує слабкий зв'язок між протонами на різних оболонках.

Слід зазначити, що з іншими легкими ядрами ситуація не така проста. Ядро 3 1 Tскладається з трьох протонів та двох електронів, що здійснюють зв'язок між ними. Перескок двох електронів у такій системі має підкорятися постулату Паулі. Очевидно, це є причиною того, що енергія зв'язку тритію не надто перевищує енергію зв'язку He – 3.

Ядерні зв'язки в ядрі 7 3 Li, начебто, можуть бути представлені схемою E Li7 ≈ E He4 + E TАле це уявлення веде до досить грубої оцінки. Однак для нестабільного ядра Be – 8 аналогічна вистава E Be8 ≈ 2 E He4 веде до гарної згоди з вимірами.

3.4. Обговорення

Добра згода обчисленої енергії зв'язку для деяких легких ядер з даними вимірювань дозволяє вважати, що ядерні сили (принаймні у разі цих ядер) мають описаний вище обмінний характер.

Вперше увагу можливість пояснення ядерних сил з урахуванням ефекту обміну електроном звернув мабуть І.Є. Тамм ще у 30-ті роки минулого століття. Однак пізніше в ядерній фізиці переважаючою стала модель обміну π-мезонами, а потім глюонами. Причина цього зрозуміла. Для пояснення величини та радіусу дії ядерних сил потрібна частка з малою власною довжиною хвилі. Нерелятивістський електрон цього не підходить. Однак, з іншого боку, моделі π-мезонного або глюонного обміну теж не виявилися продуктивними. Дати досить точне кількісне пояснення енергії зв'язку навіть легких ядер ці моделі не змогли. Тому наведена вище проста оцінка цієї енергії, що узгоджується з вимірами, є однозначним доказом того, що так звана сильна взаємодія (у разі деяких легких ядер) є проявом ефекту тяжіння між протонами, що виникає за рахунок обміну релятивістським електроном.

4. Нейтрино та мезони

4.1. Нейтріно

Раніше було показано, що в рамках стандартної максвелівської теорії електромагнітного поля є дві можливості. Використовуючи різні способи порушення, можна у порожньому просторі (ефірі) порушити або поперечну електромагнітну хвилю (фотон), або магнітний квант (магнітний солітон), тобто. хвилю позбавлену електричної складової. Для генерації у вакуумі електромагнітної хвиль потрібно використовувати електричний або магнітний диполь, що коливається.

Згідно з рівняннями Максвелла, величина електричного поля, що переноситься фотоном, пропорційна другий похідної за часом від магнітного моменту, що змінюється в часі, який генерує фотон. Якщо тимчасова залежність магнітного моменту описується ідеально гострою ступінчастою функцією Хевісайда, то перша похідна від цієї сходинки є функція δ, а друга похідна дорівнює нулю. Тому при передньому фронті сходинки, що триває близько 10 -23 секунди (така оцінка часу перетворення π-мезону в μ-мезон, при якому народжується антинейтрино) повинен випромінюватись квант, що має δ-подібну магнітну складову і позбавлений електричної складової (див. докладніше в ). .

Характерними особливостями магнітного солітону є те, що, будучи циркулярно поляризованим, він повинен мати спину. ħ  / 2, та її взаємодія з речовиною майже на два десятки порядків слабші, ніж у електромагнітної хвилі. Ця особливість обумовлена ​​тим, що у природі відсутні магнітні монополі.

Це дозволяє припускати, що магнітний солітон можна ототожнити з нейтрино. При цьому при народженні магнітного моменту виникає антинейтрино, а за його зникнення нейтрино.

Так у процесі послідовного перетворення π -мезону спочатку в μ -мезон, а потім в електрон, таких магнітних γ-квантів виникає три (рис. 5).

Мал. 5.Схема народження трьох магнітних солітонів (нейтрино) у процесі розпаду π -мезону. π  – -мезон не має магнітного моменту. При розпаді він перетворюється на μ - -мезон, що несе магнітний момент. Цей процес має супроводжуватися випромінюванням магнітного γ-кванта (вильотом антинейтрино). При розпаді μ -мезона його магнітний момент зникає і випромінюється ще один магнітний γ-квант (нейтрино). Третій магнітний солітон (антинейтрино) виникає у момент народження електрона

4.2. Мезони

У ланцюжку перетворень півонія → мюон → електрон народжується три нейтрино (рис. 5). Заряджені півонії (π  – -мезони), спини яких дорівнюють нулю, не володіють магнітними диполями. У момент перетворення π  -мезону в мюон (μ-мезон) стрибкоподібно виникає магнітний момент, що супроводжується випромінюванням мюонного антинейтрино ((widetilde nu mu)). При розпаді мюона генерується випромінювання мюонного нейтрино μ, яке викликане тим, що зникає мюонний магнітний момент. Одночасно з цим народжується електрон, що володіє магнітним моментом, що призводить до випромінювання електронного антинейтрино \(\mathop (\widetilde \nu )\nolimits_e \).

Той факт, що жодних інших продуктів крім нейтрино і антинейтрино в цих реакціях не виникає, призводить до припущення, що півонія і мюон не є самостійними елементарними частинками, а є збуджені стану електрона.

Ці мезони мають маси

тут λ D= 2π ħ  / P- Довжина хвилі де Бройля,

P- Узагальнений імпульс частинки,

n= 1, 2, 3 ... - ціле число.

Інваріантний кінетичний момент імпульсу (спін) такої частки

отримуємо

Це значення маси дуже близько до величини маси π-мезону (46), що має спин рівний нулю:

Це значення маси дуже близько до величини маси μ-мезону (46), що має рівний спин ħ  / 2:

\[\frac(((M_(1/2)))))(((M_((\mu ^ \pm ))))) \simeq 0,9941.\]

(54)

Виявлена ​​можливість обчислення мас мезонів, виходячи тільки з їх спинів, підтверджує припущення, що ці мезони є збудженими станами електрона.

5. Висновок

Проведені вище обчислення властивостей елементарних частинок виявляють недостатність кваркової моделі з дрібними зарядами кварків, в рамках якої такі оцінки не вдається отримати. Ця модель у сучасному вигляді демонструє можливість класифікації частинок, але це не доводить того, що така класифікація є єдино можливою та правильною.

При цьому важливо відзначити, що для опису протоннейтронної взаємодії (у легких ядрах) немає необхідності залучати модель глюонів, а також використовувати теорії сильної та слабкої взаємодій.

Дійсно, обмін релятивістським електроном між протонами в дейтроні і також як обмін нерелятивістським електроном у молекулярному іоні водню – це квантово-механічне явище і немає підстав приписувати цьому обмінному ефекту у разі дейтрона роль фундаментальної взаємодії Природи.

Випромінювання нейтрино відбувається в процесі β-розпаду (або К-захоплення). Процеси розпадів ядер, як α і β, не вимагають запровадження будь-якого нового особливого фундаментального природного взаємодії. Але β-розпад має суттєву особливість: при β-розпаді за надзвичайно короткий час виникає (або зникає при К-захопленні) магнітний момент вільного електрона. Це робить магнітний удар по ефіру і призводить до випромінювання магнітного -кванта, тобто. нейтрино. Це явище має суто електромагнітний характер, і для його опису не потрібно вводити спеціальну слабку або електрослабку взаємодію.

Однак формально відсутність необхідності вводити сильну та слабку взаємодії в опис інших об'єктів мікросвіту не доведено. Очевидно, що для розрахунку ядерних сил у важких ядрах потрібно залучати інші ефекти, пов'язані, наприклад, із існуванням ядерних оболонок.

Проте, можливість електромагнітного опису деяких частинок робить актуальним питання коректності існуючого описи багатьох інших, складніших об'єктів мікросвіту.

Очевидно, що відповідно до головного постулату природничих наук У. Гільберта перевірка коректності такого опису має спиратися на експериментальні дані базових властивостей об'єктів, що досліджуються. Успішний спосіб систематизації частинок на якусь таблицю не можна вважати вичерпним доказом правильності та єдиності даного підходу.

Література:

1. Гільберт У. Про магніт, магнітні тіла і великий магніт - Землі. М: Видавництво Академії наук СРСР, 1956.
, 2016.

Систематика елементарних частинок. Суперелементарні частки. Основна труднощі, що виникає щодо поняття елементарної частинки пов'язані з тим, що у час таких часток виявляється дуже багато значно більше, ніж атомів хімічних елементів.

Нещодавно були відкриті частинки в 10 разів важчі, ніж протон, і приблизно з такою самою масою, як у ядра бору. Зневірившись виявити якусь ієрархію в множині рівноелементарних об'єктів, що розростається, деякі фізики висунули ідею бутстрапа шнурівки, або ядерної демократії, згідно з якою кожна елементарна частка складається з усіх інших частинок точніше, структура кожної елементарної частинки визначається взаємодіями всіх інших частинок.

Однак ця ідея не усуває почуття задоволеності через дуже велику кількість найпростіших сутностей послідовне формулювання ідеї бутстрапу, що нагадує чимось концепцію Демокрита призводить до висновку про нескінченну кількість елементарних об'єктів. Структура мікрооб'єктів у теорії бутстрапа приймає відносний зміст щось на зразок особливої ​​системи координат, яку можна вибрати по-різному. Визначення елементів структури стає дуже неоднозначним.

Так як одну і ту ж частинку можна різними способами скласти з інших частинок. Понад те, залишиться незрозумілим, чи можна взагалі цьому шляху сформулювати точну замкнуту систему рівнянь, визначальну різні властивості, зокрема і структуру елементарних частинок. Теоретиками аналізувалися лише дуже грубі моделі бутстрапа, що враховують взаємозв'язок всього двох трьох сортів частинок, і, хоча в ряді випадків були отримані якісні результати, що обнаджують, спроби їх уточнення відразу ж наштовхуються на величезні труднощі.

Ідею бутстрапу не можна вважати задовільним вирішенням проблеми найпростіших елементів. Значно пліднішим виявився шлях об'єднання частинок у замкнуті групи мультиплети, члени кожної з яких можуть трактуватися як різні стани однієї і тієї ж частинки. Керівним принципом при цьому є виявлення симетрій у властивостях різних частинок.

Такий груповий підхід, що використовує добре розроблений математичний апарат теорії груп є подальшим розвитком формалізму зарядових ізотопічних мультиплетів. Велике значення мало відкриття так званої унітарної симетрії, що дозволило об'єднати ізотопічні мультиплети звичайних та дивних частинок у єдині октети та декаплети. Учт спинів дав можливість побудувати ще більш складні сімейства частинок унітарні мультиплети мезонів об'єдналися в сімейство, що складається з 35 частинок 35 - батог, а октет і декаплет баріонів в сімейство з 56 елементів 56 - батог. Подальше розробка систематики частинок пов'язані з ідеєю кварків.

З'ясувалося, що окремі унітарні мультиплети не зовсім ізольовані один від одного, а пов'язані строгими правилами симетрії. І найдивовижнішим було те, що ці правила передбачали існування частинок із дробовими електричними зарядами кварків. Ось ці частки на сучасному рівні розвитку науки дійсно можна вважати найелементарнішими, тому що з них можуть бути побудовані все інше взаємодіючі частки іноді простим додаванням, як атомні ядра з протонів і нейтронів, а іноді розглядаючи їх як збуджені стани вже побудованих частинок і в водночас самі кварки не можна збудувати з інших елементарних частинок. У цьому сенсі кварки істотно відрізняються від усіх інших частинок, серед яких, як уже зазначалося, неможливо виділити будь-які елементарні будівельні елементи.

Кварки можна розглядати як наступний, глибший, суперелементарний рівень організації матерії та з точки зору величини дефекту мас, тобто щільності з упаковки всередині протонів, мезонів та інших менш елементарних об'єктів.

З позиції теорії кварків структурний рівень елементарних частинок це область об'єктів, що складаються з кварків та антикварків і характеризуються великим дефектом мас щодо будь-яких їх розпадів та віртуальних дисоціацій.

Разом з тим, хоча кварк і є найпростішою відомою сьогодні часткою, він має дуже складні властивості. Від усіх інших відомих нам частинок кварк відрізняється не тільки дробовим електричним зарядом, але й баріонним дробовим числом. Серед інших елементарних частинок він виглядає кентавром за своїми властивостями він одночасно і мезон, і баріон. Спочатку вважалося, що кварк має три стани два їх відрізняються лише величиною електричного заряду, а третьому стані кварк проявляється як дивна частка.

Однак після відкриття сімейств шармованих зачарованих частинок до трьох станів кварку довелося додати четверте шарм. На найбільшому світі прискорювачі протонів у Батавії, поблизу Чикаго, було виявлено нову дивовижну частинку - мезон. Його маса значно перевищує масу нуклону, а властивості такі, що його доводиться розглядати як кварк, що злиплися, і антикварк. При цьому доводиться припустити, що кварк і антикварк мають ще один, п'ятий стан.

Для квантового числа, що характеризує цей стан, ще немає загальноприйнятої назви найчастіше його називають красою кварка або відповідним англійським терміном б'юті. П'ять квантових ступенів свободи кварку прийнято називати його ароматом деякі автори вважають за краще говорити про п'ять ступенів смаку кварку. Але й не вичерпується перелік властивостей кварка. Аналіз експериментальних даних привл до висновку, що кожен з п'яти ароматів смаків кварку має три кольори, тобто кожен з п'яти станів кварку розщеплене ще на три незалежні стани, що характеризуються величиною специфічного квантового числа кольору.

Колір у кварку змінюється при випромінюванні або поглинанні ним глюону кванта проміжного поля, що склеює кварки та антикварки в мезони та баріони. Можна сміливо сказати, що глюонне полі це поле кольору, його кванти переносять колір. Термін глюони походить від англійського слова glue клей. В даний час ідея суперелементарних частинок кварків буквально пронизує фізику енергій.

З їхньою допомогою пояснюється так багато експериментальних даних, що фізику просто неможливо обійти без цих дивовижних частинок, так само як, наприклад, хіміку без атомів та молекул. На думку більшості фізиків, якщо кварки немає в природі як реальні об'єкти, це саме собою було б разючою загадкою. І разом з тим кварки ніколи не спостерігалися в чистому вигляді, хоча, відколи вони були введені в теорію, минуло майже два десятиліття.

Усі численні спроби виявити кварки чи глюони у вільному стані незмінно закінчуються невдачею. Строго кажучи, глюони і кварки залишаються поки що хоча ймовірними, але все ж гіпотетичними об'єктами. У тому, що кварки і глюони це фізичні об'єкти, а не просто зручний феноменологічний спосіб опису звичною для нас корпускулярною мовою якихось незрозумілих аспектів структури елементарних частинок, переконують непрямі досліди. Насамперед це експерименти з зондування протонів в нейтрон за допомогою дуже швидких електронів і нейтрино, коли налітаюча частка розсіюється відскакує, стикаючись з одним з частинки мішені кварків, що знаходяться всередині. З урахуванням кварків список сильно взаємодіючих суперелементарних частинок зведеться до трьох частинок кварку, антикварку і глюону, що їх зв'язує.

До них слід додати ще приблизно десяток найпростіших частинок інших типів, структура яких поки ще не проявляється в експерименті квант електромагнітного поля фотон, впевнено передбачуваний теоретиками гравітон і сімейство лептонів.

Висновок. За минулі роки становище теорії елементарних частинок істотно змінилося. Були відкриті слабкі нейтральні струми, що призводять до таких ефектів, як розсіювання нейтрино мюонного на електронах. Відкриті, починаючи з J-мезону, ціла група елементарних частинок з часом життя, що у тисячу разів перевищує час життя резонансів. Фактично вже зараз потрібно ці частинки включити до таблиці щодо стабільних елементарних частинок.

Значними є успіхи в теорії елементарних частинок. Єдина теорія слабких та електромагнітних взаємодій отримала солідне експериментальне підтвердження, хоча, як і раніше, не може зважати на безперечність достовірної. Кваркова модель будови адронів отримує нові і нові експериментальні підтвердження. Після багатьох років застою великий прогрес досягнуто в теорії сильних взаємодій, які тепер розглядаються як міжкваркові взаємодії.

Імовірно, що елементарними частинками, неподільними вже далі, є лептони і кварки. Все безліч адронів побудовано з кварків. Модель чотирьох кольорових кварків та чотирьох лептонів дозволяє загалом зрозуміти структуру матерії. Вчені впритул підійшли до вирішення нової проблеми, проблеми структури елементарних частинок. При бомбардуванні протонами високої енергії нерухомої мішені виявлено надважкі нейтральні мезони, названі іпсілонами з масою близько 9,4 ГеВ. Знайдено три модифікації цих мезонів із близькими масами.

Щоб включити іпсілон в рамки кваркової моделі, треба припустити, що існують кварки масивніші, ніж с-кварк. Для збереження кварк-лептонної симетрії потрібно введення двох нових кварків, що відповідають парі – лептон, – нейтрино. Ці кварки вже отримали назву верхня вершина англійською та боттом дно. Отже, зі збільшенням енергії часток, що стикаються, виявляється народження нових все більш і більш важких частинок.

Це ускладнює і так непросту картину світу елементарних частинок. З'являються нові проблеми, хоча багато старих проблем залишиться невирішеними. Ймовірно, основною невирішеною проблемою слід вважати проблему кварків, чи можуть вони бути вільними або ж полон їх усередині адронів є абсолютним. Якщо ж кварки принципово не можуть бути виділені і виявлені у вільному стані, то як переконатися, що вони з безперечністю існують. .

Безсумнівно, що з'ясування будови елементарних частинок буде так само значний крок, як і відкриття будови атома і ядра.

Кінець роботи -

Ця тема належить розділу:

Становлення фізичної картини світу від Галілея до Ейнштейна

Функціональне значення такого роду сумарного знання бачиться у забезпеченні синтезу знання, зв'язку різних розділів природознавства. При цьому є розбіжності розуміння того, для чого необхідний синтез.

Якщо Вам потрібний додатковий матеріал на цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

1. Зародження та розвиток уявлень про квант

1.1 Теорія атома, запропонована Бором

2. Елементарні частинки та проблема їх структурності

Висновок

Список літератури

Вступ

У вивченні природи можна розрізняти два етапи: донауковий та науковий етапи. Донауковий чи натурфілософський етап охоплює період від античного періоду до встановлення експериментального природознавства XVI-XVII століття. Уявлення про природу в цей період мали суто натурфілософський характер, природні явища, що спостерігалися, пояснювалися на основі змонтованих розумовим шляхом філософських принципів. Найбільшим досягненням природознавства у період з'явилася, вважалася дискретивної концепцією будови матерії, вчення античного атомізму. Відповідно до цього вчення, всі тіла формуються з найменшими частинками матерії атомів. Відповідно до античного атомізму який надав первинну теоретичну модель атома, атоми є невидимими, неподільними та непроникними мікрочастинками, відрізняються один від одного лише кількісними відносинами - формою, розмірами, строєм. Античний атомізм, який пояснював ціле як механічну сукупність частин, що його формують, став першою теоретичною програмою. того вчення Демокриту, вакуум необхідний пояснення механічного розміщення тіл у просторі та його деформації (стиснення, подовження та інші) під впливом зовнішніх сил. Атомізм пояснював сутність перебігу природних процесів механічним взаємовпливом атомів, їх тяжіння та відштовхуванням. Механічна програма пояснення природи, вперше висунута в античному атомізмі, реалізувалася в класичній механіці, яка започаткувала вивчення природи науковим способом. Сучасні наукові уявлення про структурні рівні формування матерії слід починати з концепції класичної фізики про вивчення мікросвіту, яка зародилася в результаті критичного дослідження уявлень класичної механіки, які застосовуються лише в мікросвіті. Формування наукових поглядів на будову матерії належить до XVI віці, на період закладення Р. Галілеєм основи механічної картини світу. Галілей не лише обґрунтував геліоцентричну систему М.Коперника, відкрив закони інерції руху та вільного падіння, він також розробив новий методологічний спосіб опису природи – науково-теоретичний метод. Сутність цього методу полягає в тому, що, відібравши цілу низку фізичних і геометричних характеристик природи, Галілей перетворив їх на предмет наукового дослідження. Відбір окремих характеристик об'єкта надав можливість створення теоретичних моделей та перевірки їх на основі наукового експерименту. Сформульована Галілеєм методологічна концепція відіграла вирішальну роль у твердженні класичного природознавства.

1. Зародження тарозвиток уявлень про квант

квант елементарний частинка

При переході фізики від вивчення макросвіту до вивчення мікросвіту докорінно змінилися уявлення класичної фізики про речовину та поле. Вивчаючи мікрочастинки, вчені натрапили на таку картину, яка здавалася парадоксальною з погляду класичної фізики: той самий об'єкт демонструє і властивість хвилевості та властивість корпускулярності. Це явище отримало назву корпускулярно-хвильового дуалізму.

Перший крок у галузі вивчення суперечливої ​​природи частинок зробив німецький вчений Макс Планк. Все почалося з появи у фізиці наприкінці XIX століття такої проблеми, як «ультрафіолетова катастрофа». Відповідно до розрахунків, вироблених з урахуванням формул класичної електродинаміки, інтенсивність випромінювання лише темних предметів безмежно збільшувалася. Це суперечило практиці. З досліджень, які проводяться з випромінювання тепла, М.Планк дійшов висновку про те, що в процесі випромінювання енергія випромінюється не в довільній кількості та безмежно, а неподільними порціями – квантами. Енергія кванти визначається числом коливань, що відповідають випромінюванню (V) та універсальної постійної, званої постійної Планка: E=hn. Як зазначав Планк, прихід у фізику ідеї кванта поки не можна пов'язувати зі створенням квантової теорії, проте 14 грудня 1900 року - дата появи формули квантової енергії, стала датою закладення основи цієї теорії, днем ​​зародження атомної фізики і початком нового періоду в природознавстві.

Першим фізиком, який зустрів відкриття впливу елементарного кванта з високим духовним піднесенням та розвинув його у творчості. Був А. Ейнштейн. Він у 1905 році, застосовуючи ідею квантитативності випромінювання та поглинання енергії під час теплового випромінювання до явищ випромінювання загалом, заклав основу квантової теорії. Ейнштейн, застосовуючи гіпотезу Планка n світловим явищам дійшов висновку, що необхідно прийняти корпускулярну структуру світла. Квантова теорія світла або теорія фотона Ейнштейна підтвердила, що поряд з тим, що світло є хвильовим явищем поширення у світовому просторі, воно також має безперервну структуру. Світло можна розглядати як неподільні енергетичні порції, світлові кванти та фотони. Енергія фотонів визначається постійною Планкою (h) та швидкістю відповідних коливань (n). Монохроматичне світло різних кольорів (червоне, жовте, зелене, синє, фіолетове та інші) складаються з світлових квантів різної енергії. Ідея Ейнштейна про світлові кванти надала можливість зрозуміти та наочно описати фотоелектричне явище, сутність якого полягає у відділенні електрона від світлової матерії. Експерименти показали, що існування фотоефекту визначається не інтенсивністю світлової хвилі, що падає на метал, а частотою світла. Якщо припустити, що кожен фотоелектрон відокремлюється одним фотоном, стає зрозумілим, що ефект відбувається у тому випадку, коли енергія фотона стає достатньо великою, щоб розірвати взаємний зв'язок матерії та електрона.

Через 10 років після зародження тлумачення фотоелектричного ефекту у подібному розкладі він був підтверджений дослідами американського фізика Р.Е. Міллікена. Відкрите 1923 року американським ученим А.Х. Комптоном явище ("Ефект Комптону") остаточно підтвердило квантову теорію. Загалом квантова теорія світла - одна з теорій фізики, яка неодноразово була підтверджена дослідами. Однак таким чином хвильова природа світла була остаточно підтверджена дослідами явищ інтерференції дифракції. У зв'язку з цим створилася така парадоксальна ситуація: стало відомо, що світло в один і той же час поводиться як хвиля і як корпускуляр. У цьому випадку фотон виступає як специфічний вид корпускуляра. Основна характеристика дискретності фотона, особлива порція енергії (E=hn) визначається характеристикою суто хвилі - частотою (n). Як і всі великі природно-наукові відкриття квантова теорія світла набула істотного світоглядного, теоретично-пізнавального характеру.

Уявлення про фонони-кванти електромагнітного поля стали великим подарунком розвитку квантової теорії. Тому А. Ейнштейн вважається одним із великих творців квантової теорії. Теорія Ейнштейна, розвиваючи погляди М. Планка, надала можливість датському вченому М. Бору розробити нову модель атома.

1.1 Теорія атома, запропонована Бором

У 1913 році датський вчений Нільс Бор, застосовуючи принцип квантитативності до вирішення проблем будови атома та характеристики спектра атома, усунув протиріччя у створеній Резерфордом моделі атома. Запропонована 1911 року Резерфордом модель атома нагадувала сонячну систему: у центрі її було розташоване ядро, навколо нього круговими орбітами оберталися електрони. Ядро було позитивно заряджене, електрони мали негативний електричний заряд. Сили тяжіння у Сонячній системі атомі замінювалися електричними силами. Позитивний електричний заряд ядра атома, який дорівнював порядковому номеру елемента в періодичній системі Менделєєва, врівноважувався негативним електричним зарядом електронів. Тому атом був електрично нейтральним.

Аналіз планетарної моделі атома в рамках класичної електродинаміки містив дві неможливі протиріччя. Перше з цих протиріч полягало в тому, що електрони для того, щоб не втратити своєї стійкості, повинні обертатися навколо ядра. Як відомо, круговий рух характеризується відцентровим прискоренням. Відповідно до законів класичної електродинаміки прискорено рухомі електрони повинні неодмінно випромінювати електромагнітну енергію. Однак у цьому випадку електрони за дуже короткий проміжок (10-8 секунд), витрачаючи свою енергію на випромінювання, повинні впасти на ядро. Це нам добре відомо із повсякденного досвіду. Якби електрони впали на ядро, тіло, що складається з них, наприклад стіл, що стоїть перед нами, змінив би свої розміри в 10 тисяч разів.

Друга суперечність планетарної моделі атома пов'язана з тим, що поступово наближається в результаті випромінювання до ядра електрон для безперервної зміни своєї частоти спектр випромінювання атома має бути цілим. Досвід показує, що спектр випромінювання атома лінійний. Інакше кажучи, планетарна модель атома Резерфорда не вживаються з електродинамікою Максвелла.

Квантова теорія атома, яка б вирішувати обидві ці протиріччя (так звана «теорія Бора про будову атома») була висунута Н.Бором. Зміст цієї теорії формувався з таких положень, об'єднаних в єдину, цілу ідею:

закономірності лінійного діапазону атома водню;

ядерна модель атома, запропонована резерфордом;

квантовий характер випромінювання та поглинання світла.

Висунута Н.Бором для пояснення структури атома нова гіпотеза спиралася на три постулату, що не уживаються з принципами класичної фізики.

Перший постулат: у кожному атомі є кілька стаціонарних станів електронів (стаціонарні орбіти). Електромагнітні хвилі, що рухаються стаціонарними орбітами атома, не випромінюються, не поглинаються.

Другий постулат: атом лише тоді випромінює чи поглинає порцію енергії, коли електрон переходить із одного стаціонарного стану до іншого.

Третій постулат? Електрон рухається навколо ядра таким круговим стаціонарним орбітам, на яких в момент імпульсу електрона постійна Планка повністю уподібнюється відносної 2p:

де m, n, r - відповідно маса електрона, швидкість і радіус стаціонарної орбіти, якою він рухається, n=1,2,3… - цілі числа.

Ці постулати заклали початок новому періоду у вивченні властивостей та будови атома.

Перший постулат показав обмеженість класичної фізики, а окремих випадках неприйнятність її законів до стаціонарним станам. Не так легко погодитися з ідеєю про випромінювання енергії електронами на вибраних орбітах. Цієї ж хвилини виникає запитання: «Чому?» Однак у зв'язку з тим, що цей постулат був адекватним результатам експериментів, фізики змушені були його прийняти. З другого постулату випливає висновок у тому, що енергія атома випромінюється порціями. Перехід електрона з однієї орбіти в іншу обов'язково супроводжується цілими числами енергетичних квантів. Так, стан електронів в атомі характеризується 4 квантовими числами - головне, орбітальне, магнітне та орбітальне квантове число. Головне квантове число (n) визначає енергію електрона у областях ядра, у складних атомах порядковий номер шару електронів. Орбітальне квантове число (l) характеризує корективи, що приносяться до енергії атома одночасним рухом атомів. Спинове квантове число (s) визначає спеціальний механічний момент, що характеризує обертальний рух електронів. Постулати Бора пояснювали стійкість атома: в стаціонарних станах електрон без зовнішніх причин не випромінює електромагнітну енергію. Тільки тепер стало зрозуміло, чому за незмінної оцінки станів атоми хімічних елементів не випромінюють електромагнітні хвилі. Модель атома, запропонована Бором, незважаючи на те, що дала точний опис атома водню, що складається з одного протона і одного електрона, і цей опис досить добре узгоджувався з фактами досвіду, пізніше застосування цієї моделі до багатоелектронних атомів зіткнулося з певними труднощами. Хоч би як намагалися теоретики описати рух і орбіту електронів в атомі, різниця між теоретичними результатами і даними експериментів залишалася великою. Однак у ході розвитку квантової теорії стало зрозуміло, що ці відмінності пов'язані в основному із властивістю хвильовості у електронів. Хвильова довжина електрона, що рухається круговою орбітою в атомі, входила до складу вимірювань атома і становила приблизно 10-8 см. Хоча рух частинок, властивих будь-якій системі, тільки в тому випадку можна досить точно описати як механічний рух матеріальної точки по замкнутій орбіті , коли хвильова довжина частинки в порівнянні з системою змін буде настільки мала, що не братиметься до уваги. Іншими словами, потрібно взяти до уваги, що електрон - не точка, не міцна «кулька», у нього є внутрішня структура, яка може змінюватися залежно від властивих станів. Однак у цьому випадку деталі внутрішньої структури електрона залишаються невідомими. Тут стає зрозумілим, що принципово неможливо уявити структуру атома на основі уявлень про орбіти точкових електронів, тому внутрішні орбіти атома стали ідеальними об'єктами, вони навіть не існують насправді. Згідно з їх хвильовою природою електрони та їх електричний заряд нібито нерівномірно розподілені по атому і володіють часом у деяких точках малою, в інших - більшою щільністю електронів. Опис розподілу густини заряду електрона всередині атома дано в квантовій механіці: в деяких точках густина заряду електрона досягає максимальної позначки. Крива, що поєднує точки максимальних позначок щільності заряду електрона, формально називається орбітою електрона. Обчислена теоретично Бора траєкторія атома водню збіглася з кривою, що проходить через точки максимальних позначок середньої щільності заряду, що у свою чергу повністю відповідає експериментальним даним. Теорія Бора немовби окреслює лінію кордону першого етапу розвитку сучасної фізики. Атомна теорія Бора з урахуванням додавання небагатьох нових міркувань була останньою спробою описати структуру атома з урахуванням класичної фізики. Постулати Бора показали, що класична фізика неспроможна пояснити подібні результати найпростіших дослідів, що з структурою атома. Чужі класичної фізики постулати Бора, порушивши її цілісність, змогли пояснити лише невелику область експериментальних даних. Тому, народжується уявлення у тому, що постулати Бора, відкриті нові, досі невідомі науці властивості матерії, до того ж час частково, в повному обсязі відбивали їх. Теорія Бора, та її постулати які були застосовані до складних атомів, були безсилі у поясненні суттєвих явищ фізики як і дифракція і інтерференція було неможливо пояснити хвильові властивості світла і матерії. На багато питань, пов'язаних із структурою атома, були отримані відповіді лише внаслідок розвитку квантової механіки. Було з'ясовано, що Борівську модель атома не можна буквально розуміти такою, якою раніше. Процеси атома неправильно було б наочно описувати у формах механічних моделей, створених за аналогією до явищ макросвіту. Незабаром стало відомо, що певні для макросвіту уявлення про час і простір непридатні для опису мікрофізичних явищ. Поступово фізики-теоретики перетворили атом на ще більш абстрактну систему - сукупність рівнянь, що не спостерігаються.

2. Елементарні частиниіци та проблема їх структурності

Проблема структури матерії була однією з актуальних проблем, що завжди стоять у центрі уваги природознавства, особливо в передовій її галузі – фізиці. Випукло відображаючи взаємозв'язок філософії та природознавства, ця проблема має не тільки філософське, а й практичне та виробничо-технічне значення. Для цього досить сказати, що сучасні фізичні теорії, що формують важливий етап науково-технічної революції, у тому числі квантова механіка і теорія елементарних частинок тісно пов'язані з відкриттям і використанням ядерної енергії, що заклала основу «атомного віку».

Сучасна фізика завоювала великі досягнення у галузі вивчення будови та властивостей матерії. Однак, незважаючи на це в галузі будови та властивостей матерії у природи багато ще не відкритих секретів. Проникаючи в глибини теоретичної пізнавальної матерії та виявляючи нові рівні її будови, ми дедалі більше віримо у це. Фізика на етапі свого розвитку вступила на такий повний наукових відкриттів шлях, який веде її вперед у напрямку ще більшого оволодіння силами людської природи. Однак фізика не відразу стала на цей шлях. Перш ніж завоювати певні досягнення на цьому шляху вона пройшла довгий і складний шлях розвитку, усунула за цей період натурфілософські метафізичні уявлення про будову та властивості матерії, властиві одній з епох.

Сучасне вчення про будову матерії почало зароджуватися з урахуванням стійких практичних фактів, починаючи лише наприкінці ХІХ - початку ХХ століть. Не зупиняючись на успіхах наукового пізнання, це вчення, яке збагачувалося та розвивалося, поєднувало в собі органічно пов'язані один з одним чотири сторони: насамперед це вчення - атомістичне вчення, тому що згідно з цим вченням кожне тіло, кожна фізична область формується з мікрочастинок та мікрообластей , по-друге це вчення - статистичне вчення, тому що воно, ґрунтуючись на статистичні уявлення, визначає властивості та закономірності руху мікрооб'єктів, їх взаємні впливи та перетворення статистичними законами, по-третє, це вчення - квантова теорія, так властивості та закономірності руху мікрочастинок якісно відрізняються від визначених класичною фізикою властивостей і закономірностей руху мікроскопічних тіл, нарешті, це вчення – релятивістське вчення, тому що в цій теорії зв'язок простору, часу та матерії описується за допомогою релятивістської теорії – теорії відносності.

Не зупиняється на області пізнання будови і властивостей матерії людське пізнання, що розвивається, виявило її складність будови і невичерпність властивостей і підтвердило це новими фактами. Найбільшим досягненням, завойованим у сфері вивчення будови матерії є перехід рівня атома до рівня елементарних частинок. Першою елементарною частинкою виявленою наприкінці XIX століття став електрон, у першій половині ХХ століття були виявлені фотон, протон, позитрон, нейтрон, нейтрино та інші елементарні частинки. В даний час елементарні частинки вважаються найменшими "елементарними" частинками серед мікрооб'єктів, що оточують атоми, молекули. Після Другої Світової війни завдяки використанню сучасної експериментальної техніки та насамперед сильних прискорювачів, що створюють умови високої енергії та гігантської швидкостей, було виявлено існування понад 300 елементарних частинок. Одна частина елементарних частинок виявили в експерименті, інша частина (резонанси, кварки, віртуальні частинки) вважалися теоретичними.

Що виражає поняття «елементарна частка» у сучасній фізиці? Перш ніж відповісти на це питання необхідно відзначити властиву природничо-науковому поняття бік про те, що як і всі фізичні поняття, поняття «елементарність» є відносним, на різних етапах розвитку наукового пізнання набуває різного значення. До середини 60-х років нашого століття уявлення про елементарні частки нагадували один з видів поглядів на атоми, висловлені Демокрітом. Однак ці перші наївні уявлення про елементарні частки проіснували не довго: незабаром було доведено, що незмінних, непроникних, безструктурних частинок немає. Під впливом реальних фактів поняття «елементарність» зазнало зміни і взагалі все, що можна назвати «елементарною часткою» набуло невизначеного характеру. В даний час ціла низка авторів справедливо зазначають, що поняття «елементарність» використовується у двох значеннях: з одного боку як синонім найпростішого, з іншого боку як субатомальної частки, тобто показник фундаментальності. Зважаючи на кожні два значення, що виражаються поняттям «елементарна частка», ми можемо сказати в повному та широкому сенсі слова, що звані «елементарними» частинками є такі матеріальні утворення, які складаються з інших відомих науці частинок і у всіх процесах як єдине ціле знаходяться у взаємному впливі, які включають характеризуючі їх фізичні величини - маса, заряд електрона, спин, парність, одиночність, ізотропний спин та інші початкові параметри, які не можуть бути теоретично обчисленими і можуть бути точно застосовані до фізичної теорії тільки експериментально.

Фізика елементарних частинок - це, висловлюючись словами вченого академіка І.Б.Тамміна, основна область «провідна сучасну фізику напередодні істотних змін та революційних переворотів». Елементарні частинки образно уподібнили «невивченим планетам». Невипадково, що заслуговують на увагу відкриття фізики були зроблені після 60-х років саме в цій галузі. Для того, щоб скласти уявлення про досягнення у цій галузі, достатньо сказати, що за останні 25-30 років кількість елементарних частинок збільшилася від 35 до 340 і передбачається подальше збільшення цієї цифри у майбутньому. Особливо починаючи з 30-х років нашого століття крім раніше відомих електрона, фотону та протону було виявлено додатково багато нових частинок: нейтрон, позитрон, нейтрони різної маси та заряду (також нейтральні) мезони, гіперони та так звані їх відповідні античастинки. Збільшення цифри, що виражає число «елементарних» частинок, показало втрату свого колишнього значення поняття «елементарність». Тому що всі ці частинки не могли виконати функцію останніх «цеглинок» у світовій будівлі. Перебуваючи у такому становищі, елементарні частинки намагалися пояснити безліч і різноманітність, класифікувати з погляду забезпечення розвитку, класифікувати з метою забезпечення розвитку досягнень наукового пізнання у цій галузі. Здійснення таких класифікацій пов'язане з описом властивостей та основних характеристик елементарних частинок.

Нині визначено багатство властивостей відомих наук елементарних частинок. Причому багато цих властивостей немає аналогів серед відомих властивостей макроскопічних об'єктів. Основні характеристики елементарних частинок, описаних абстрактною мовою математики, такі: маса, заряд, середній період існування, спин, ізотропний спин, одиночність, парність, лептиновий заряд, заряд боріону, взаємний вплив. Постараємося дати характеристики цією властивістю елементарних частинок.

Одне з найголовніших властивостей, що характеризують елементарні частинки – маса. Зазначимо, що маса спокою елементарних частинок визначається щодо маси спокою електрона (me=9,1×10-31 кг). Нині найпоширеніша класифікація елементарних частинок залежно від величини їхньої маси спокою. Відповідно до цієї класифікації всі елементарні частинки тривають на 4 групи: 1) легкі елементарні частинки – лептони. Сюди входять електрон, нейтрино та їх античастинки - позитрон, антинейтрино, а також позитивні та негативні мю-мезони. За винятком останніх лептонів перед вступом у взаємний вплив стабільні та у вільному стані існують понад 1020 років. Мю-мезони не є стабільними частинками, проживши дві стомільйонні секунди розпадаються, перетворюються на електрон, нейтрон і антинейтрон. Маса спокою нейтрино та антинейтрино дуже мала, узяті разом вони дорівнюють 0,0005 частини маси електрона.

2) частки середньої маси – мезони. Сюди входять позитивні, негативні та нейтральні пі-мезони з масою 270 me - маса спокою, і деякі види кА-мезони з масою 970 me. Всі мезони нестабільні, мають дуже невеликий період існування (до 7-19 секунд).

3) важкі частки – нуклони. Сюди входять протон, нейтрон та їх античастинки – антипротон та антинейтрон. Протон і антипротон стабільні, нейтрон і антинейтрон - нестабільні частинки, мають відносно довгий період існування - 17 хвилин.

4) гіперони – найважчі частки. У цю групу входить дуже багато частинок та античастинок. Маса гіперонів від 2182 до 2585 me. Термін існування всіх гіперонів однаковий - 10-10 секунд.

Іноді нуклони та гіперони об'єднують у єдину групу під назвою баріони. У цю групу також можна включити фотон, що утворює особливу групу і є квантом електромагнітного поля. Незважаючи на те, що подібна класифікація елементарних частинок не розкриває основні закономірності, що їх об'єднують, в будь-якому випадку вона надає можливість вивчити цілий ряд властивостей і перетворень частинок і навіть передбачити існування деяких частинок. Слід зазначити, що будова матерії і невичерпність властивостей знаходять себе у поступовому збільшенні числа відомих частинок, а й у менш важливому факті взаємного перетворення частинок «елементарної» матерії. Визначення спільності (дуалізму) у властивостях частинок матерії поля також призвело до думки про їхнє взаємне перетворення. Вже через деякий час після відкриття позитрона (1932 рік) стало відомо, що пари матерії електрон-позитрон, в певних умовах об'єднуючись, перетворюються на кванти світла - фотони, що є частинками електромагнітного поля, і утворюються з них. Потім стало відомо, що подібне взаємне перетворення відбувається не тільки між двома видами матерії, що є частинками речовини і поля, але і також між самими частинками речовини. В результаті стало ясно, що частинки матерії не незмінні і не прості, вони можуть перетворюватися одна на одну в процесі взаємного впливу, можуть утворюватися та поглинатися з боку різних комплексів частинок. Інша важлива властивість елементарних частинок - електричний заряд, що відбиває їхній зв'язок з електромагнітним полем. Одна частина відомих частинок має позитивний, інша частина - негативний заряд, частина частинок не має електричного заряду. Крім фотона та обох мезонів кожної частки відповідає античастинка протилежного заряду. Причина того, що різні елементарні частинки не мають обов'язково однакових показників електричного заряду і деякі елементарні частинки позбавлені електричного заряду, нам поки не відома. Цілком можливо, що це прояв ще не виявлених глибоких внутрішніх закономірностей елементарних частинок спільності в структурі частинок. Одна із суттєвих фізичних характеристик елементарних частинок – період їх існування. Відповідно до періоду існування елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонансні) частинки. Стабільних частинок п'ять: фотон, електронний нейтроно, мьонний нейтроно, електрон та протон. У структурі макротіл стабільні частки відіграють вирішальну роль. Інші частки не стабільні. Ці частинки, розташовані в інтервалі середнього існування від 10-10 до 10-24 секунд, зрештою діляться на інші частки. Квазистабільні елементарні частинки із середніми періодами існування 10-10 до 10-24 секунд називаються резонансами. Через невеликий період існування ці частинки не можуть залишити атом або ядро ​​атома і розпадаються на інші частинки. Існування резонансних частинок було лише теоретично обчислено і помітити їх у реальному експерименті поки що неможливо.

Ще одна важлива характеристика частинок – спин. Спін - це зовсім нове властивість частинок властиве тільки їм і не має аналога в макроскопічній фізиці, опис його як моменту механічного імпульсу є грубим і неточним. Ми можемо дивитися на спину як на особливе «обертання», аналогічне обертанню частинки в макросвіті. Спин елементарних частинок вимірюється одиницями та його неможливо ні збільшити, ні зменшити. Спін визначає загальний характер типу, що входить в частку статистики (статистика Бозе-Ейнштейна і Фермі-Дірака) і вчення описує її рух. Спин протона, нейтрону та електрона дорівнює Ѕ-е, спин фотона - 1-е. Частинки з половинчастим спином підпорядковуються статистиці Фермі-Дірака і називаються ферміонами, частки з повним спином підпорядковуються статистиці Бозе-Ейнштейна та називаються бозонами. Відомо, що в одній і тій же ситуації, коли раптово ферміон вже не може бути можливим, у цій ситуації може бути кілька бозонів. Таким чином, ферміони поводяться як «індивідуалісти», бозони – як «колективісти». Незважаючи на те, що ця властивість внутрішньої природи елементарних частинок ще повністю не вивчена, нині визначено зв'язок цих властивостей з властивостями симетрії та асиметрії простору. Спин розглядають як прояв ступеня внутрішньої самостійності руху елементарних частинок. Таким чином, кожна елементарна частка характеризується 4 ступенями самостійності: три з них - ступеня зовнішньої свободи, що виражають переміщення частки у просторі; одна - внутрішній ступінь свободи спина. Існування спина також говорить про складну структуру частинки та певний тип внутрішніх зв'язків. Однією з важливих властивостей елементарних частинок є магнітний момент. Ця властивість зустрічається як у заряджених, так і беззарядних частинок. Передбачається, що певна частина магнітного моменту заряджених частинок обумовлена ​​їх розташуванням у просторі. Наприклад, передбачається, що магнітний момент протонів і нейтронів обумовлено створеним струмом, що зібралися навколо них хмарами мезонів. Давайте ширше розглянемо цю проблему. Відомо, що незважаючи на те, що нейтрон не має електричного заряду, у нього є в певній кількості магнітний момент. Це показує, що магнітний момент частки не повинен здебільшого визначатися її внутрішньою структурою. У разі як має пояснюватися створення магнітного моменту нейтрона? Передбачається, що у зв'язку з тим, що нейтрон - нестабільна частка, він дисоціює на протон і позитивний мезонквант поля мезону, і приблизно 25% свого існування перебуває у такому положенні. Тому нейтрон набуває 25% магнітного моменту позитивного пімезону. Магнітний момент нейтрону, що спостерігається в експерименті, дуже близький до числа, обчисленого теоретично. Елементарні частинки крім електричного заряду характеризуються додатково зарядами лептону та баріону. Лептоновський заряд всіх лептонів приймається за +1, баріонівський заряд всіх баріонів приймається за +1. Парність також одна з важливих характеристик елементарних частинок. Ця величина відноситься до правої та лівої симетрій. Теоретично елементарних частинок координати кожної частки характеризуються хвильової функцією y, яка може змінювати і змінювати відмітку цих координат як дзеркальне відбиток (x® -x, u® -u, z® -z). У першому випадку функція y асиметрична або одиночна функція, парність відповідної частки +1, у другому випадку функція y симетрична або парна, але парність частинки приймається за -1. Однією з дуже важливих характеристик елементарних частинок є взаємне перетворення, що супроводжується випромінюванням і поглинанням квантів поля, що відповідає елементарним частинкам у період взаємного впливу. Ці процеси, що відрізняються один від одного інтенсивністю протікання, зумовлюють поділ властивого елементарним частинкам взаємного впливу на 4 види: сильний, електромагнітний, слабкий і гравітаційний взаємні впливи. Властивості елементарних частинок переважно визначаються сильним електромагнітним і слабким взаємними впливами. Сильні взаємні впливи відбуваються лише на рівні ядра атома, їх складові складаються з взаємного тяжіння і відштовхування. Звані силами ядра сили взаємного впливу поширюються на дуже маленьку відстань - 10-13 см. Сильні взаємні впливи міцно пов'язуючи у певних умовах протони і нейтрони, створюють матеріальну систему, що характеризується високою сполучною енергією, - ядро ​​атома. Незважаючи на те, що електромагнітні взаємні впливи слабші за сильні взаємні впливи приблизно в 1000 разів, радіус їх впливу наближається до нескінченності. Цей вид взаємного впливу уражає електрично заряджених частинок. Носій електромагнітного взаємного впливу – вільний від електричного заряду та маси спокою фотона. Фотон є квантом електромагнітного поля. За допомогою електромагнітних взаємних впливів, поєднуючи ядро ​​атома і електрон у єдину систему, створюються атоми, об'єднуючись, атоми створюють молекули. Електромагнітні взаємні впливи є основними взаємними впливами, що супроводжуються хімічними та біологічними процесами.

Слабкі взаємні впливи існують між різними частинками. Слабкі взаємні впливи, пов'язані з процесом спонтанного розпаду частинок, наприклад, з процесом перетворення нейтрона в ядрі на протон, електрон та антинейтрино (n0® p+ + e- +n), може поширюватися на дуже маленьку відстань (10-15 - 10-22 см). Відповідно до сучасного наукового знання більшість частинок лише з допомогою слабких взаємних впливів нестабільні. Гравітаційні взаємні впливи – надмірно слабкі сили, що беруться до уваги в теорії елементарних частинок. Для порівняння зазначимо, що вони слабші за сильні взаємні впливові сили в 1040 разів. Однак для ультрамаленьких відстаней (у порядку 10-33 см) і ультравеликих енергій гравітаційні сили набувають істотного значення, за своєю силою вони набувають гідного вигляду для порівняння з іншими видами взаємного впливу. У космічних масштабах гравітаційні взаємні впливи грають вирішальну роль. Радіус впливу цих сил необмежений. У природі між елементарними частинками діє не один, а іноді в один і той же час кілька типів взаємного впливу та властивості та структура частинок визначається спільністю всіх типів взаємного впливу, що беруть участь. Наприклад, протон, що входить у адронний тип елементарних частинок, бере участь у сильному взаємному впливі, і електромагнітному взаємному впливі у зв'язку з тим, що він є електрично зарядженою частинкою. З іншого боку, протон може зародитися в процесі розпаду нейтрону, тобто в слабких взаємних впливах, таким чином, він пов'язаний зі слабкими взаємними впливами. І нарешті, протон як матеріальна освіта, що має масу, бере участь у гравітаційних взаємних впливах. На відміну від протона, цілий ряд елементарних частинок беруть участь у всіх типах взаємного впливу, а лише в деяких їх типах. Наприклад, нейтрон через те, що він є, незарядженою частинкою він не бере участі в електромагнітних взаємних впливах, а електрон та мю-мезони - у сильних взаємних впливах. Фундаментальні взаємні впливи є причиною перетворення частинок - їх знищення та зародження. Наприклад, в результаті зіткнення нейтрону і протона утворюються два нейтрони і один позитивний пімезон. Термін перетворення елементарних частинок залежить від сили, що взаємовпливає. Ядерні реакції, пов'язані з сильними взаємовпливами, відбуваються за 10-24 - 10-23 секунди. Це період коли елементарна частка переходить в частинку високої енергії і набуває швидкість, близьку до швидкості світла, розміри порядку 10-13 см. Зумовлені електромагнітними взаємними впливами зміни відбуваються за 10-21 - 10-19 секунд, обумовлені слабкими взаємними впливами зміни (наприклад, процес розпаду елементарних частинок) - за 10-10 секунд. До періоду протікання різних змін, що відбуваються в мікросвіті, можна підходити з погляду міркувань про взаємні впливи. Кванти взаємного впливу елементарних частинок реалізуються у вигляді відповідних цим часткам фізичних полів. Під полем у сучасній квантовій теорії розуміється система частинок, що змінюються в числі (статеві кванти). Стан, коли поле, і взагалі, польові кванти існують із найменшою енергією, називається вакуумом. Частинки електромагнітного поля (фотони) у вакуумі в стані збудження втрачають механічні властивості, які вони містять і які притаманні корпускулярній матерії (наприклад, під час руху тіло не відчуває тертя). Вакуум не містить прості види матерії, однак, не дивлячись на це він не порожнеча в істинному значенні слова, так у вакуумному збудженні виникають кванти електромагнітного поля – фотони, що реалізують електромагнітний взаємний вплив. У вакуумі в доповненні електромагнітного поля існують інші фізичні поля, у тому числі поки не зазначене в експерименті так званих гравітонних експериментів гравітаційне поле. Квантове поле - сукупність квантів, що носить дискретний характер. Так взаємні впливу елементарних частинок, їх взаємні перетворення, випромінювання та поглинання фотонів носить дискретний характер і відбувається лише у ситуації квантатування. У результаті виникає таке питання: у чому виявляється безперервність поля, його континуальність? Як у квантовій електродинаміці, так і в квантовій механіці стан поля описується однозначно не спостерігаються реальними явищами, а лише за допомогою хвильової функції, пов'язаної із взаємним поняттям. Квадрат модуля цієї функції показує можливість спостерігати фізичні явища, що розглядаються. Основна проблема квантової теорії поля – опис різних типів взаємних впливів частинок у відповідних рівняннях. Ця проблема знайшла своє рішення поки що тільки в квантовій електродинаміці, що описує взаємні впливи електронів, позитронів та фотонів. Для сильних і слабких взаємних впливів поки що не створено квантову теорію поля. Нині ці види взаємного впливу описуються не строгими методами. Хоча відомо, що неможливо зрозуміти елементарні частинки якщо вони не знаходяться у відповідній фізичній теорії, неможливо зрозуміти їхню структуру, яка визначається структурою цих теорії. Тому проблему структури елементарних частинок ще остаточно не вирішено. Сучасна фізика в даний період доводить існування складних частинок, які мають внутрішню будову частинок, які вважаються «елементарними». Стало відомо, що протон і нейтрон в результаті віртуальних процесів, що відбуваються в них, піддаються внутрішнім перетворенням. В результаті дослідів, проведених з вивчення будови протонів, було визначено, що протон, який вважався до останнього часу неподільним, найпростішим і найбезструктурнішим насправді є складною частинкою. У його центрі знаходиться щільне ядро, що називається «керн», воно оточене позитивними пі-мезонами. Складність будови «елементарних» частинок була доведена висунутою 1964 року американським вченим Гель-Манном і незалежно від нього шведським ученим Цвейгом гіпотезою кварків. Відповідно до цієї гіпотези елементарні частинки з відносинами, що характеризуються сильними взаємними впливами (адрони: протон, нейтрон, гіперони), повинні формуватися з кварків-часток, заряд яких дорівнює одній третій або двом третім заряду електрона. Таким чином, теорія показує, що у формуючих частинки зазначених кварків електричний і баріонний заряд повинен виражатися дробовим числом. Справді, звані кварками частки поки що не виявлено і залишаються гіпотетичними мешканцями мікросвіту на рівні розвитку науки.

Висновок

Таким чином, з одного боку ясно, що елементарні частинки мають особливу структуру, з іншого боку, характер цієї структури залишається незрозумілим. З вищенаведених даних стає зрозумілим, що елементарні частинки зовсім не елементарні, вони мають внутрішню структуру, можуть ділитися і перетворюватися один на одного. Ми ще дуже мало знаємо обох будовах. Таким чином, на сьогоднішній день ґрунтуючись на цілу низку фактів, ми можемо стверджувати, що матерія елементарних частинок - новий вид, який якісно відрізняється від складніших частинок (ядро, атом, молекула). У той же час ця відмінність настільки суттєва, що використовувані нами при вивченні ядер, атомів, молекул, макроскопічних тіл категорії та виразу (простий і складний, внутрішня структура, сформований) і можуть застосовуватися до елементарних частинок. Поняття «простий і складний», «складові», «структура», «цілий» є загалом відносними поняттями. Наприклад, незважаючи на те, що атом має складну будову, і структура його складається з ядерного та електронного ярусів, порівняно з молекулою, що входить до його складу, є більш простим. У ієрархії структур матеріальних систем ядро ​​атома, атом, молекула, макроскопічні тіла самі утворюють структурний єдиний рівень. Тому елементи тіла, порівняно з елементами наступного рівня, є більш простими, виступають як їх складові. З іншого боку, вони є більш складними в порівнянні з елементами, розташованими на нижчих рівнях і є їх складовими частинами. Всі системи, починаючи з ядра атома до тих найбільших розмірів, мають таку властивість: у кожній з них можна відокремити структурні елементи, що формують ті, що розглядаються, і є більш простими в порівнянні з елементами на більш низькому рівні на складові його частини. За своїм значенням процеси поєднання і поділу однакові. Наприклад, молекули даної хімічної речовини складаються з певної кількості атомів і можуть розпастися на них у певних умовах. У цьому випадку маса складного цілого більша за масу кожної складової його частини. Це останнє становище не є правильним для елементарних частинок. Так, продукти розпаду елементарних частинок не є простішими, ще точної «перетворюваних» частинок. Вони також є елементарними частинками. Згідно з сучасними уявленнями продукти розпаду разом частинками, що їх породжують, розташовуються на єдиному рівні ієрархії. Наприклад, нейтрон у певних умовах ділиться на протон, електрон та антинейтрон (n0 ®p+ + e- +). Хоча нейтрон не складніше і не простіше за протон, електрон і антинейтрон. Крім того, протон та електрон можна отримати і внаслідок інших реакцій. Тому можна сказати, що можливість кожної елементарної частинки полягає в тому, що вона може бути складовою інших елементарних частинок. З іншого боку, не так важливо, щоб на кожному елементарному рівні ціле складалося б такого великого скупчення. У цьому випадку маса цілого може бути навіть у кілька разів меншою від мас його складових. Наприклад, в цілому ряді випадків в результаті поїдання нюклону і антинюклону виходить мезон, маса якого менша за масу будь-якого з них. Ця аномалія пояснюється тим, що під час створення елементарної частки маса поглинає виділену енергію

може бути настільки велика, що в результаті продукти реакції зовсім не схожі на вихідну частинку. Тому у світі елементарних частинок поняття «простий і складний», «складова частина», «структура», «цілий» набувають зовсім іншого значення, ніж в атомній фізиці та класичній фізиці. Специфіка елементарних частинок також проявляється у енергетичних взаємних впливах. Починаючи макроскопічними об'єктами і закінчуючи ядром атома, енергія всіх матеріальних систем формується з двох складових: особливої, відповідної маси тіла (Е=mc2) та енергії зв'язку складових його елементів. Незважаючи на те, що ці види енергії невіддільні один від одного, вони повністю відрізняються за своєю природою. Спеціальна енергія об'єктів набагато перевищує енергію їхнього зв'язку, її можна відокремити все складову. Наприклад, за рахунок зовнішньої енергії молекулу можна розділити на атоми (Н2О®Н+О+Н), проте в цьому випадку в самих атомах не станеться зміна, яка впадає у вічі. В елементарних частках ця проблема набуває іншого вигляду. Вся енергія елементарних частинок не ділиться на спеціальну та сполучну. Тому незважаючи на те, що елементарні частинки не мають внутрішньої структури, вони не можуть ділитися на складові їх частини. Елементарні частинки не містять внутрішніх частинок, що залишаються більшою чи меншою мірою незмінними. Згідно з сучасними уявленнями структура елементарних частинок описується за допомогою безперервно народжуваних і безперервно діляться «віртуальних» частинок. Наприклад, анігіляція мезону (від латинського слова «annihilatio» - знищення) формується з віртуальних нуклонів і віртуальних антинуклонів, що безперервно створюються і потім зникають. Формальні висування поняття віртуальної частки показує, що внутрішню структуру елементарних частинок неможливо описати у вигляді інших частинок. Поки що не створена відповідна фізикам теорія походження та структурі елементарних частинок. Ціла низка відомих вчених дійшли думки про те, що цю теорію можна створити, беручи до уваги лише космічні умови. Ідея про зародження елементарних частинок з вакууму в силовому, електромагнітному та гравітаційному полях набуває істотного значення. Тому що взаємозв'язок мікро, макро- та мегасвіту знаходить втілення лише у цій ідеї. У мегасвіті структура та взаємні перетворення елементарних частинок зумовлені фундаментальними взаємовпливами. Очевидно, що для того, щоб адекватно описати структуру матеріального світу, необхідно розробити апарат нових понять.

Список літератури

1. Маковєльський. Давньогрецькі атомісти. Баку, 1946.

2. Кудрявцев. Курс історії фізики. М., Просвітництво, 1974, с.179.

3. Філософія природознавства. М., 1966, с.45; Є.М.Балабанов. У глиб атома, М., 1967.

4. Філософія та природознавство. М., 1964, с.74-75; С.Т. Мелюхін. До філософської оцінки сучасних уявлень поля та речовини. У кн.: Діалектичний матеріалізм та сучасне природознавство, М., 1957, с. 124-127.

5. Кузнєцов Б. Шляхи фізичної думки. Вид. "Наука", М., 1968, с. 296-298

6. Ахізер А.І., Рекало М.П. Біографія елементарних частинок, Київ, 1978.

7. Станюкович К.П., Лапчинський В.Г. Систематика елементарних частинок.

8. У Кн.: Про систематику частинок, М., 1969, с.74-75.

9. Балабанов Є.М. Углиб атома. М., 1967, с.38-39.

10. Новожилов Ю.В. Елементарник частинки. М., 1974; Спроул Р. Сучасна фізика. М., 1974;

11. Содді Ф. Історія атомної енергії. М., 1979.

12. Готт В.С. Про невичерпність матеріального світу. М., "Знання", 1968, с.31.

13. Князєв В.М. Концепція взаємодії в сучасній фізиці. М.

14. Свічніков Г.А. Нескінченність матерії. М., 1965, с. 17-21; Омельянівський М

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Основні поняття, механізми елементарних частинок, види їхньої фізичних взаємодій (гравітаційних, слабких, електромагнітних, ядерних). Частинки та античастинки. Класифікація елементарних частинок: фотони, лептони, адрони (мезони та баріони). Теорія кварків.

курсова робота , доданий 21.03.2014


Основні характеристики та класифікація елементарних частинок. Види взаємодій між ними: сильне, електромагнітне, слабке та гравітаційне. Склад атомних ядер та властивості. Кварки та лептони. Способи, реєстрація та дослідження елементарних частинок.

курсова робота , доданий 08.12.2010


Фундаментальні фізичні взаємодії. Гравітація. Електромагнетизму. Слабка взаємодія. Проблема єдності фізики. Класифікація елементарних частинок. Характеристики субатомних частинок. Лептони. Адрони. Частинки – переносники взаємодій.

дипломна робота , доданий 05.02.2003


Структури та властивості матерій першого типу. Структури та властивості матерій другого типу (елементарні частки). Механізми розпаду, взаємодії та народження елементарних частинок. Анігіляція та виконання зарядової заборони.

реферат, доданий 20.10.2006


Характеристика методів спостереження елементарних часток. Поняття елементарних частинок, види взаємодій. Склад атомних ядер та взаємодія в них нуклонів. Визначення, історія відкриття та види радіоактивності. Найпростіші та ланцюгові ядерні реакції.

реферат, доданий 12.12.2009


Властивості всіх елементарних частинок. Зв'язок протонів та нейтронів в атомних ядрах. Класифікація елементарних частинок. Розмір різниці мас нейтрону і протона. Гравітаційні взаємодії нейтронів. Експериментальне значення життя мюона.

реферат, доданий 20.12.2011


Сценарій розвитку Всесвіту після Великого Вибуху. Сучасні уявлення про елементарні частки як першооснову будови матерії Всесвіту. Класифікація елементарних частинок. Корпускулярно-хвильовий дуалізм у сучасній фізиці. Теорія атома Н. Бора.

реферат, доданий 17.05.2011


Планетарна модель атома Резерфорд. Склад та характеристика атомного ядра. Маса та енергія зв'язку ядра. Енергія зв'язку нуклонів у ядрі. Взаємодія між зарядженими частинками. Великий адронний колайдер. Положення теорії фізики елементарних частинок.

курсова робота , доданий 25.04.2015


Елементарна частка - частка без внутрішньої структури, тобто не містить інших частинок. Класифікація елементарних частинок, їх символи та маса. Колірний заряд та принцип Паулі. Ферміони як базові складники всієї матерії, їх види.

презентація , доданий 27.05.2012


Класифікація елементарних частинок. Фундаментальні взаємодії. Модель атома Резерфорд. Теорія Бору атома водню. Атом водню у квантовій механіці. Квантово-механічне обґрунтування Періодичного закону Д. Менделєєва. Концепція радіоактивності.

Федеральна державна освітня установа

вищої професійної освіти

"ПІВДЕННИЙ ФЕДЕРАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ"

Економічний факультет

Елементарні частинки.

Їх класифікація та основні властивості.

Виконала

студентка 1 курсу 11 групи

Бубликова Катерина

Ростов-на-Дону - 2009

Вступ. Світ елементарних частинок.

Фундаментальні фізичні взаємодії.

1. Гравітація.

   Електромагнітна взаємодія.

   Слабка взаємодія.

   Сильна взаємодія.

Класифікація елементарних частинок.

1. Характеристики субатомних частинок.

   Історія відкриття елементарних частинок.

2.5. Теорія кварків.

2.6. Частинки – переносники взаємодій.

3. Теорії елементарних частинок.

3.1. Квантова електродинаміка.

3.2. Теорія електрослабкої взаємодії.

3.3. Квантова хромодинаміка.

3.4. На шляху до Великого об'єднання.

Список використаної литературы.

Світ елементарних частинок.

У середині і другої половини ХХ століття у тих розділах фізики, які зайняті вивченням фундаментальної структури матерії, були отримані справді дивовижні результати. Насамперед це виявилося у відкритті цілої множини нових субатомних частинок. Їх зазвичай називають елементарними частинками, але далеко не всі їх дійсно елементарні. Елементарні частинки в точному значенні цього терміна - первинні, далі нерозкладні частинки, з яких, за припущенням, складається вся матерія, але багато з них у свою чергу складаються ще з елементарніших частинок.

Світ субатомних частинок воістину різноманітний. Нині відомо понад 350 елементарних частинок. До них відносяться протони і нейтрони, що становлять атомні ядра, а також електрони, що обертаються навколо ядер. Але є і такі частинки, які в навколишній речовині практично не зустрічаються. Якщо середній час життя нейтрона, що знаходиться поза атомним ядром, становить 15 хвилин, то час життя таких короткоживучих частинок надзвичайно мало, воно становить найменші частки секунди. Після цього дуже короткого часу вони розпадаються на звичайні частки. Таких нестабільних короткоживучих частинок дуже багато: їх відомо вже кілька сотень. Однак не можна вважати, що нестабільні елементарні частинки «складаються» зі стабільних хоча б тому, що та сама частка може розпадатися декількома способами на різні елементарні частинки.

Кожна елементарна частка (за винятком абсолютно нейтральних частинок) має свою античастку.

Існування елементарних частинок фізики виявили щодо ядерних процесів, тому до середини ХХ 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 проблем і застосовуваними методами дослідження. Головне завдання фізики елементарних частинок – це дослідження природи, властивостей та взаємних перетворень елементарних частинок.

У 60-70-ті роки фізики були зовсім спантеличені численністю, різноманітністю і незвичайністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Цілком незрозуміло, навіщо стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними та випадковими уламками матерії? Чи, можливо, вони таять у собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики в наступні десятиліття показало, що в існуванні такої структури немає жодних сумнівів. Наприкінці ХХ століття фізика починає розуміти, яким є значення кожної з елементарних частинок.

Світ субатомних частинок притаманний глибокий і раціональний порядок. В основі цього порядку – фундаментальні фізичні взаємодії.

1.Фундаментальні фізичні взаємодії.

У своєму повсякденному житті людина стикається з безліччю сил, які діють тіла. Тут і сила вітру або потоку води, що набігає, тиск повітря, потужний викид вибухових хімічних речовин, м'язова сила людини, вага важких об'єктів, тиск квантів світла, тяжіння і відштовхування електричних зарядів, сейсмічні хвилі, що викликають часом катастрофічні руйнування, і вулканічні виверження, що призводили до Загибелі цивілізації і т. д. Одні сили діють безпосередньо при контакті з тілом, інші, наприклад, гравітація, діють на відстані через простір. Але, як з'ясувалося в результаті розвитку теоретичного природознавства, незважаючи на таку велику різноманітність, всі сили, що діють у природі, можна звести лише до чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційне, електромагнітне, слабке і сильне. Саме ці взаємодії зрештою відповідають за всі зміни у світі, саме вони є джерелом всіх перетворень тіл та процесів. Елементарні частинки поділяються на групи здібностей до різних видів фундаментальних взаємодій. Вивчення якостей фундаментальних взаємодій становить головне завдання сучасної фізики.

1.1. Гравітація.

В історії фізики гравітація (тяжіння) стала першою з чотирьох фундаментальних взаємодій предметом наукового дослідження. Після появи у ХVII ст. ньютонівської теорії гравітації - закону всесвітнього тяжіння - вдалося вперше усвідомити справжню роль гравітації як сили природи. Гравітація має низку особливостей, що відрізняють її від інших фундаментальних взаємодій.

Найбільш дивовижною особливістю гравітації є її мала інтенсивність. Розмір гравітаційного взаємодії між компонентами атома водню становить 10n, де n = -39, від сили взаємодії електричних зарядів. Може здатися дивним, що ми взагалі відчуваємо гравітацію, якщо вона така слабка. Як вона може стати панівною силою у Всесвіті?

Вся справа у другій дивовижній межі гравітації – її універсальності. Ніщо у Всесвіті не позбавлене гравітації. Кожна частка відчуває на собі дію гравітації і сама є джерелом гравітації. Оскільки кожна частка речовини викликає гравітаційне тяжіння, гравітація зростає в міру утворення все більших скупчень речовини. Ми відчуваємо гравітацію у повсякденному житті тому, що всі атоми Землі разом приваблюють нас. І хоча дія гравітаційного тяжіння одного атома дуже мало, але результуюча сила тяжіння з боку всіх атомів може бути значною.

Гравітація - дальнодіюча сила природи. Це означає, що, хоча інтенсивність гравітаційного взаємодії зменшується з відстанню, воно поширюється у просторі і може позначатися дуже віддалених джерела тілах. У астрономічному масштабі гравітаційне взаємодія, зазвичай, грає головну роль. Завдяки далекодії гравітація не дозволяє Всесвіту розвалитися на частини: він утримує планети на орбітах, зірки в галактиках, галактики в скупченнях, скупчення в Метагалактиці.

Сила гравітації, що діє між частинками, завжди є силою тяжіння: вона прагне зблизити частинки. Гравітаційне відштовхування ще ніколи не спостерігалося (хоча в традиціях квазінаукової міфології є ціла область, яка називається левітація - пошук "фактів" антигравітації). Оскільки енергія, запасена у будь-якій частинці, завжди позитивна і наділяє її позитивною масою, частки під дією гравітації завжди прагнуть зблизитися.

Чим є гравітація, якимсь полем або виявом викривлення простору-часу - на це питання поки що однозначної відповіді немає. Існують різні думки та концепції фізиків щодо цього.

1.2. Електромагнітна взаємодія.

За величиною електричні сили набагато перевершують гравітаційні. На відміну від слабкої гравітаційної взаємодії, електричні сили, що діють між тілами звичайних розмірів, можна легко спостерігати. Електромагнетизм відомий людям з незапам'ятних часів (полярні сяйва, спалахи блискавки та ін.).

Протягом тривалого часу електричні та магнітні процеси вивчалися незалежно один від одного. Вирішальний крок у пізнанні електромагнетизму зробив у середині XIX століття Дж. К. Максвелл, який об'єднав електрику та магнетизм у єдиній теорії електромагнетизму – першої єдиної теорії поля.

Існування електрона було твердо встановлено у 90-ті роки минулого століття. Нині відомо, що електричний заряд будь-якої частинки речовини завжди кратний фундаментальній одиниці заряду - свого роду "атому" заряду. Чому це так – надзвичайно цікаве питання. Проте чи всі матеріальні частинки є носіями електричного заряду. Наприклад, фотон і нейтрино електрично нейтральні. Щодо цього електрика відрізняється від гравітації. Усі матеріальні частинки створюють гравітаційне поле, тоді як із електромагнітним полем пов'язані лише заряджені частки. Переносником електромагнітної взаємодії між зарядженими частинками є електромагнітне поле або кванти поля - фотони.

Як і електричні заряди, однойменні магнітні полюси відштовхуються, а різноіменні – притягуються. Однак на відміну від електричних зарядів магнітні полюси зустрічаються не окремо, а лише парами - північний полюс і південний полюс. Ще з найдавніших часів відомі спроби отримати через поділ магніту лише один ізольований магнітний полюс - монополь. Але всі вони закінчувалися невдачею. Можливо, існування ізольованих магнітних полюсів у природі виключено? Певної відповіді на це питання поки що не існує. Деякі теоретичні концепції припускають можливість існування монополя.

Як електрична та гравітаційна взаємодія, взаємодія магнітних полюсів підпорядковується закону зворотних квадратів. Отже, електрична і магнітна сили "дальнодіючі", і їхня дія відчутна на великих відстанях від джерела. Так, магнітне поле Землі простягається далеко в космічний простір. Могутнє магнітне поле Сонця заповнює всю Сонячну систему. Існують і галактичні магнітні поля.

Електромагнітна взаємодія визначає структуру атомів і відповідає за переважну більшість фізичних та хімічних явищ та процесів. Електромагнітна взаємодія призводить також до випромінювання електромагнітних хвиль.

1.3. Слабка взаємодія.

До виявлення існування слабкої взаємодії фізика просувалася повільно. Слабка взаємодія є відповідальною за розпади частинок, і тому з її проявом зіткнулися з відкриттям радіоактивності та дослідженням бета-розпаду.

У бета-розпаду виявилася надзвичайно дивна особливість. Дослідження приводили до висновку, що в цьому розпаді порушується один із фундаментальних законів фізики – закон збереження енергії. Здавалося, що у цьому розпаді частина енергії кудись зникала. Щоб "врятувати" закон збереження енергії, В. Паулі припустив, що разом з електроном при бета-розпаді вилітає ще одна частка. Вона - нейтральна і має надзвичайно високу проникаючу здатність, внаслідок чого її не вдавалося спостерігати. Е. Фермі назвав частку-невидимку "нейтрино".

Нейтрино (італ. neutrino, зменшувальне від neutrone - нейтрон), стабільна незаряджена елементарна частка зі спином 1/2 і, можливо, нульовою масою. Нейтрино відноситься до лептонів. Вони беруть участь лише у слабкій і гравітаційній взаємодії і тому надзвичайно слабко взаємодіють із речовиною. Розрізняють електронне нейтрино, що завжди виступає в парі з електроном або позитроном, мюонне нейтрино, що виступає в парі з мюоном, тау-нейтрино, пов'язане з важким лептоном. Кожен тип нейтрино має свою античастинку, що відрізняється від нейтрино знаком відповідного лептонного заряду та спіральністю: нейтрино мають ліву спіральність (спін спрямований проти руху частинки), а антинейтрино - праву (спин - у напрямку руху).

Але передбачення та виявлення нейтрино – це лише початок проблеми, її постановка. Треба було пояснити нейтрино природу, але тут залишалося багато загадкового. Справа в тому, що і електрони, і нейтрино випускалися нестабільними ядрами. Але було незаперечно доведено, що всередині ядер таких частинок немає. Як вони виникали? Було висловлено припущення, що електрони та нейтрино не існують у ядрі в "готовому вигляді", а якимось чином утворюються з енергії радіоактивного ядра. Подальші дослідження показали, що входять до складу ядра нейтрони, надані самим собі, за кілька хвилин розпадаються протон, електрон і нейтрино, тобто. замість однієї частки з'являються три нові. Аналіз приводив до висновку, що відомі сили не можуть спричинити такого розпаду. Він, мабуть, породжувався якоюсь іншою, невідомою силою. Дослідження показали, що цій силі відповідає деяка слабка взаємодія.

Воно набагато слабше електромагнітного, хоча і сильніше гравітаційного. Воно поширюється дуже незначних відстанях. Радіус слабкої взаємодії дуже малий і становить близько 2*10^(-16)см. Слабка взаємодія припиняється на мінімальній відстані від джерела і тому не може впливати на макроскопічні об'єкти, а обмежується окремими субатомними частинками. У слабкій взаємодії беруть участь усі елементарні частинки, крім фотона. Воно обумовлює більшість розпадів елементарних частинок, взаємодії нейтрино з речовиною та інших. Для слабкого взаємодії характерне порушення парності, дивацтва, «чарівності». Єдина теорія слабкої та електромагнітної взаємодії була створена наприкінці б0-х років С. Вайнбергом, Ш. Глешоу та А. Саламом. Вона описує взаємодії кварків і лептонів, здійснюваних у вигляді обміну чотирма частинками: безмасовими фотонами (електромагнітне взаємодія) і важкими проміжними векторними бозонами - частками W+, W- і Z°, які є переносниками слабкої взаємодії (експериментально відкриті 1983 року). Ця єдина взаємодія стала називатися електрослабкою. З моменту побудови Максвеллом теорії електромагнітного поля створення цієї теорії стало найбільшим кроком на шляху до єдності фізики.

1.4. Сильна взаємодія.

Остання у ряді фундаментальних взаємодій - сильна взаємодія, яка є джерелом величезної енергії. Найбільш характерний приклад енергії, що вивільняється сильною взаємодією, - це наше Сонце. У надрах Сонця та зірок, починаючи з певного часу, безперервно протікають термоядерні реакції, що викликаються сильною взаємодією. Але й людина навчилася вивільняти сильну взаємодію: створено водневу бомбу, сконструйовано та вдосконалюються технології керованої термоядерної реакції.

До уявлення про існування сильної взаємодії фізика йшла під час вивчення структури атомного ядра. Якась сила повинна утримувати протони в ядрі, не дозволяючи їм розлітатися під впливом електростатичного відштовхування. Гравітація для цього надто слабка; очевидно, необхідна якась нова взаємодія, причому сильніша, ніж електромагнітна. Згодом його було виявлено. З'ясувалося, що за своєю величиною сильне взаємодія значно перевищує й інші фундаментальні взаємодії, але поза ядра вона відчувається. Радіус дії нової сили виявився дуже малим. Сильне взаємодія різко падає з відривом від протона чи нейтрону, перевищує приблизно 10^(-15) м.

Крім того, з'ясувалося, що сильну взаємодію відчувають не всі частки. Його відчувають протони та нейтрони, але електрони, нейтрино та фотони не підвладні йому. Це означає, що у сильній взаємодії беруть участь лише адрони.

Сильне взаємодія перевищує електромагнітне приблизно 100 раз. Теоретичне пояснення природи сильної взаємодії розвивалося важко. Прорив намітився на початку 60-х років, коли було запропоновано кваркову модель. У цій теорії нейтрони і протони розглядаються не як елементарні частки, бо як складові системи, побудовані з кварків. Сучасною теорією сильної взаємодії є квантова хромодинаміка.

Таким чином, у фундаментальних фізичних взаємодіях чітко простежується відмінність сил далекодійних та близьких. З одного боку, мають місце взаємодії необмеженого радіусу дії (гравітація, електромагнетизм), з другого - взаємодії малого радіусу дії (сильне і слабке). Світ фізичних елементів загалом розгортається у єдності цих двох полярностей і є втіленням єдності гранично малого і гранично великого - близькодії у мікросвіті та далекодії у всьому Всесвіті.

1.5. Проблема єдності фізики.

Пізнання є узагальнення дійсності, і тому мета науки – пошук єдності у природі, зв'язування розрізнених фрагментів знання на єдину картину. Щоб створити єдину систему, потрібно відкрити сполучну ланку між різними галузями знання, деяке фундаментальне ставлення. Пошук таких зв'язків та відносин – одне з головних завдань наукового дослідження. Щоразу, коли вдається встановити такі нові зв'язки, значно поглиблюється розуміння навколишнього світу, формуються нові способи пізнання, які вказують шлях до невідомих раніше явищ.

Встановлення глибинних зв'язків між різними областями природи - це водночас і синтез знання, і метод, який спрямовує наукові дослідження з нових, неповторених доріг. Виявлення Ньютоном зв'язку між тяжінням тіл у земних умовах і рухом планет ознаменувало народження класичної механіки, на основі якої побудована технологічна база сучасної цивілізації. Встановлення зв'язку термодинамічних властивостей газу з хаотичним рухом молекул поставило на міцну основу атомно-молекулярну теорію речовини. У середині минулого століття Максвелл створив єдину електромагнітну теорію, що охопила як електричні, і магнітні явища. Потім у 20-х роках ХХ століття Ейнштейн робив спроби поєднати в єдиній теорії електромагнетизм та гравітацію.

Але до середини ХХ століття становище у фізиці радикально змінилося: було відкрито дві нові фундаментальні взаємодії - сильне і слабке, тобто. при створенні єдиної фізики доводиться рахуватися вже не з двома, а з чотирма фундаментальними взаємодіями. Це трохи охолодило запал тих, хто сподівався на швидке вирішення цієї проблеми. Але сам задум під сумнів серйозно не ставився і захопленість ідеєю єдиного опису не пройшла.

Існує думка, що це чотири (чи хоча б три) взаємодії є явища однієї природи і має бути знайдено їх єдине теоретичне опис. Перспектива створення єдиної теорії світу фізичних елементів з урахуванням єдиного фундаментального взаємодії залишається дуже привабливою. Це головна мрія фізиків ХХ ст. Але довгий час вона залишалася лише мрією і дуже невизначеною.

Однак у другій половині ХХ століття з'явилися передумови здійснення цієї мрії та впевненість, що це справа аж ніяк не віддаленого майбутнього. Схоже, що незабаром цілком може стати реальністю. Вирішальний крок на шляху до єдиної теорії був зроблений у 60-70-х роках із створенням спочатку теорії кварків, а потім і теорії електрослабкої взаємодії. Є підстави для думки, що ми стоїмо на порозі більш могутнього та глибокого об'єднання, ніж будь-коли раніше. Серед фізиків посилюється переконання, що починають вимальовуватись контури єдиної теорії всіх фундаментальних взаємодій – Великого об'єднання.

2. Класифікація елементарних частинок.

2.1. Характеристики субатомних частинок.

Виявлення на рубежі ХIХ-ХХ століть найдрібніших носіїв властивостей речовини - молекул і атомів - і встановлення того факту, що молекули побудовані з атомів, вперше дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого, хоч і великого числа структурних складових - атомів. Виявлення надалі наявності складових складових атомів - електронів та ядер, встановлення складної природи ядер, що виявилися побудованими лише з двох типів частинок (протонів та нейтронів) , значно зменшило кількість дискретних елементів, що формують властивості речовини. Не можна з упевненістю стверджувати, що частинки, елементарні в значенні наведеного визначення, існують. Протони і нейтрони, наприклад, які тривалий час вважалися елементарними, як з'ясувалося, мають складну будову. Ймовірно можливість, що послідовність структурних складових матерії принципово нескінченна. Може виявитися також, що твердження «складається з...» певною мірою вивчення матерії виявиться позбавленим змісту. Від цього вище визначення «елементарності» у разі доведеться відмовитися. Існування елементарних (субатомних) частинок – це свого роду постулат, і перевірка його справедливості – одне з найважливіших завдань фізики.

Характеристиками субатомних частинок є маса, електричний заряд, спин (власний момент кількості руху), час життя частинки, магнітний момент, просторова парність, зарядова парність, лептонний заряд, баріонний заряд, дивина, «чарівність» та ін.

Коли говорять про масу частки, мають на увазі масу її спокою, оскільки ця маса не залежить від стану руху. Частка, що має нульову масу спокою, рухається зі швидкістю світла (фотон). Нема двох частинок з однаковими масами. Електрон - найлегша частка з ненульовою масою спокою. Протон і нейтрон важчий за електрон майже в 2000 разів. А найважча з відомих елементарних частинок (Z - частка) має масу в 200 000 разів більше маси електрона.

Електричний заряд змінюється у досить вузькому діапазоні і завжди кратний фундаментальній одиниці заряду - заряду електрона (-1). Деякі частинки, такі як фотон та нейтрино, зовсім не мають заряду.

Важлива характеристика частки – спін. Він немає класичного аналога і, безумовно, вказує на “внутрішню складність” мікрооб'єкта. Правда, іноді з поняттям спина намагаються зіставити модель об'єкта, що обертається навколо своєї осі (саме слово "спин" перекладається як "веретено"). Така модель є наочною, але неправильною. Принаймні її не можна приймати буквально. Зустрічається в літературі термін "обертовий мікрооб'єкт" означає аж ніяк не обертання мікрооб'єкта, а лише наявність у нього специфічного внутрішнього моменту імпульсу. Для того, щоб цей момент "перетворився" на класичний момент імпульсу (і тим самим об'єкт дійсно почав би обертатися), необхідно вимагати виконання умови s >> 1 (багато більше одиниці). Однак така умова ніколи не виконується. Спин також завжди кратний деякої фундаментальної одиниці, яка обрана рівною Ѕ. Спин у всіх частинок одного виду однаковий. Зазвичай спини частинок вимірюють в одиницях постійної Планки. Він може бути цілим (0, 1, 2,...) або напівцілим (1/2, 3/2,...). Так, протон, нейтрон і електрон мають спин Ѕ, а спин фотона дорівнює 1. Відомі частинки зі спином 0, 3/2, 2. Частка зі спином 0 при будь-якому куті повороту виглядає однаково. Частинки зі спином 1 набувають того ж вигляду після повного обороту на 360°. Частка зі спином 1/2 набуває колишнього вигляду після обороту на 720° і т.д. Частка зі спином 2 приймає колишнє положення через півоберта (180°). Частинок зі спином більше 2 не виявлено, і, можливо, їх взагалі не існує. Знання спини мікрооб'єкта дозволяє судити про характер його поведінки в колективі собі подібних (інакше кажучи, дозволяє судити про статистичні властивості мікрооб'єкта). Виявляється, що за своїми статистичними властивостями всі мікрооб'єкти в природі поділяються на дві групи: група мікрооб'єктів з цілим спином і група мікрооб'єктів з напівцілим спином.

Мікрооб'єкти першої групи здатні "заселяти" один і той же стан у необмеженому числі, причому тим вище, чим сильніше цей стан "заселено". Про такі мікрооб'єкти говорять, що вони підпорядковуються статистиці Бозе – Ейнштейна. Для стислості їх називають просто бозонами. Мікрооб'єкти другої групи можуть “заселяти” стани лише поодинці. І якщо аналізований стан зайнятий, то ніякий мікрооб'єкт даного типу не може потрапити до нього. Про такі мікрооб'єкти говорять, що підпорядковуються статистиці Фермі - Дірака, а для стислості їх називають ферміонами. З елементарних частинок до бозонів відносяться фотони та мезони, а до ферміонів – лептони (зокрема електрони), нуклони, гіперони.

Частинки характеризуються і часом їхнього життя. За цією ознакою частинки поділяються на стабільні та нестабільні. Стабільні частинки – це електрон, протон, фотон та нейтрино. Нейтрон стабільний, коли у ядрі атома, але вільний нейтрон розпадається приблизно 15 хвилин. Всі інші відомі частки – нестабільні, час їхнього життя коливається від кількох мікросекунд до 10n сек (де n = -23). Це означає, що вони, коли цей час спливає, мимоволі, без будь-яких зовнішніх впливів розпадаються, перетворюючись на інші частки. Наприклад, нейтрон мимоволі розпадається на протон, електрон та електронне антинейтрино. Неможливо передбачити, коли саме відбудеться вказаний розпад того чи іншого конкретного нейтрона, адже кожен конкретний акт розпаду є випадковим. Кожна нестабільна елементарна частка характеризується своїм часом життя. Чим менший час життя, тим більша ймовірність розпаду частки. Нестабільність притаманна як елементарним часткам, а й іншим микрообъектам. Явище радіоактивності (мимовільне перетворення ізотопів одного хімічного елемента в ізотопи іншого, що супроводжується випромінюванням частинок) показує, що нестабільними можуть бути атомні ядра. Атоми і молекули у збуджених станах також виявляються нестабільними: вони мимоволі переходять в основний або менш збуджений стан.

Визначається імовірнісними законами нестабільність є, поруч із наявністю спина, друге суто специфічне властивість, властиве мікрооб'єктам. Його також можна як вказівку на якусь “внутрішню складність” микрообъекта.

Проте нестабільність - це специфічне, але не обов'язкове властивість мікрооб'єкта. Поряд із нестабільними існує багато стабільних мікрооб'єктів: фотон, електрон, протон, нейтрино, стабільні атомні ядра, а також атоми та молекули в основному стані.

Лептонний заряд (лептонне число) – внутрішня характеристика лептонів. Він позначається літерою L. Для лептонів він дорівнює +1, а антилептонів -1. Розрізняють: електронний лептонний заряд, яким володіють тільки електрони, позитрони, електронні нейтрино та антинейтрино; мюонний лептонний заряд, яким володіють тільки мюони та мюонні нейтрино та антинейтрино; лептонний заряд важких лептонів та його нейтрино. Алгебраїчна сума лептонного заряду кожного типу з дуже високою точністю зберігається за всіх взаємодій.

Баріонний заряд (баріонне число) – одна з внутрішніх характеристик баріонів. Позначається буквою B. Усі баріонів B = +1, а й у них античастинок B = -1 (в інших елементарних частинок B = 0). Алгебраїчна сума баріонних зарядів, що входять до системи частинок, зберігається за всіх взаємодій.

Дивність - ціле (нульове, позитивне чи негативне) квантове число, що характеризує адрони. Дивність частинок та античастинок протилежні за знаком. Адрони з Ѕ, рівним 0, називаються дивними. Дивність зберігається у сильній та електромагнітній взаємодіях, але порушується у слабкій взаємодії.

«Чарівність» (шарм) – квантове число, що характеризує адрони (або кварки). Воно зберігається в сильній та електромагнітній взаємодії, але порушується слабкою взаємодією. Частинки з ненульовим значенням "чарівність" називаються "зачарованими" частинками.

Магнетон - одиниця виміру магнітного моменту у фізиці атома, атомного ядра та елементарних частинок. Магнітний момент, зумовлений орбітальним рухом електронів у атомі та його спином, вимірюється в магнетонах Бора. Магнітний момент нуклонів та ядер вимірюється в ядерних магнетонах.

Парність – ще одна характеристика субатомних частинок. Четність - це квантове число, що характеризує симетрію хвильової функції фізичної системи або елементарної частки при деяких дискретних перетвореннях: якщо за такого перетворення функція не змінює знака, то парність позитивна, якщо змінює, то парність негативна. Для абсолютно нейтральних частинок (або систем), які тотожні своїм античастинкам, крім парності просторової, можна запровадити поняття зарядової парності та комбінованої парності (для інших частинок заміна їх античастинками змінює саму хвильову функцію).

Просторова парність - квантовомеханічна характеристика, що відбиває властивості симетрії елементарних частинок чи його систем при дзеркальному відбитті (просторової інверсії). Ця парність позначається літерою Р та зберігається у всіх взаємодіях, крім слабкого.

Зарядова парність - парність абсолютної нейтральної елементарної частки чи системи, що відповідає операції зарядового сполучення. Зарядова парність також зберігається у всіх взаємодіях, крім слабкого.

Комбінована парність – парність абсолютно нейтральної частки (або системи) щодо комбінованої інверсії. Комбінована парність зберігається переважають у всіх взаємодіях, крім розпадів довгоживучого нейтрального До - мезону, викликаних слабким взаємодією (причина цього порушення комбінованої парності доки з'ясована).

2.2. Історія відкриття елементарних частинок.

Уявлення про те, що світ складається із фундаментальних частинок, має довгу історію. Вперше думка про існування найдрібніших 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 частинками. Наука почала використовувати уявлення про атоми лише на початку XIX століття, коли на цій основі вдалося пояснити низку хімічних явищ. У 30-ті роки ХІХ століття теорії електролізу, розвиненої М. Фарадеєм, з'явилося поняття іона і було виконано вимір елементарного заряду. Але приблизно з середини XIX століття стали з'являтися експериментальні факти, які ставили під сумнів уявлення про неподільність атомів. Результати цих експериментів наводили на думку, що атоми мають складну структуру і що до їх складу входять електрично заряджені частинки. Це підтвердив французький фізик Анрі Беккерель, який 1896 року відкрив явище радіоактивності.

Потім було відкриття першої елементарної частки англійським фізиком Томсоном 1897 року. Це був електрон, який остаточно набув статусу реального фізичного об'єкта і став першою відомою елементарною часткою в історії людства. Його маса приблизно в 2000 разів менша за масу атома водню і дорівнює:

m = 9.11*10^(-31) кг.

Негативний електричний заряд електрона називається елементарним і дорівнює:

e = 0.60 * 10 ^ (-19) Кл.

Аналіз атомних спектрів показує, що спин електрона дорівнює 1/2, яке магнітний момент дорівнює одному магнетону Бора. Електрони підпорядковуються статистиці Фермі, оскільки вони мають напівцілий спин. Це узгоджується з експериментальними даними про структуру атомів та про поведінку електронів у металах. Електрони беруть участь в електромагнітних, слабких та гравітаційних взаємодіях.

Другою відкритою елементарною частинкою був протон (від грецьк. protos – перший). Цю елементарну частку відкрив у 1919 році Резерфорд, досліджуючи продукти розщеплення ядер атомів різних хімічних елементів. У буквальному значенні протон - ядро ​​атома найлегшого ізотопу водню - протию. Спин протону дорівнює 1/2. Протон має позитивний елементарний заряд +e. Його маса дорівнює:

m = 1.67 * 10 ^ (-27) кг.

або приблизно 1836 мас електрона. Протони входять до складу ядер всіх атомів хімічних елементів. Після цього у 1911 році Резерфордом було запропоновано планетарну модель атома, яка допомогла вченим у подальших дослідженнях складу атомів.

У 1932 році Дж. Чедвік відкрив третю елементарну частинку нейтрон (від латів. neuter - ні той, ні інший), який не має електричного заряду і має масу приблизно 1839 мас електрона. Спин нейтрону також дорівнює 1/2.

Висновок існування частки електромагнітного поля - фотона - бере свій початок з роботи М. Планка (1900 рік). Припустивши, що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантована (тобто складається з квантів), Планк отримав правильну формулу спектра 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. Прямі експериментальні докази існування фотона були дані Р. Міллікеном у 1912 – 1915 роках та А. Комптоном у 1922 році.

Відкриття нейтрино - частки, що майже не взаємодіє з речовиною, веде свій початок від теоретичної припущення В. Паулі в 1930 році, що дозволила за рахунок припущення про народження такої частки усунути труднощі із законом збереження енергії в процесах бета-розпаду радіоактивних ядер. Експериментально існування нейтрино було підтверджено лише у 1953 році Ф. Райнесем та К. Коуеном.

Але в речовині складаються не лише частинки. Також існують античастинки - елементарні частинки, що мають ті ж масу, спин, час життя та деякі інші внутрішні характеристики, що і їх «двійники»-частинки, але відрізняються від частинок знаками електричного заряду та магнітного моменту, баріонного заряду, лептонного заряду, дивацтва та ін. Всі елементарні частинки, крім абсолютно нейтральних, мають свої античастинки.

Першою відкритою античастинкою став позитрон (від латів. positivus – позитивний) – частка з масою електрона, але позитивним електричним зарядом. Ця античастка була виявлена ​​у складі космічних променів американським фізиком Карлом Дейвідом Андерсоном у 1932 році. Цікаво те, що існування позитрона було теоретично передбачено англійським фізиком Полем Дірак майже за рік до експериментального відкриття. Більше того, Дірак передбачив так звані процеси анігіляції (зникнення) та народження електронно-позитронної пари. Сама по собі анігіляція пари - один із видів перетворень елементарних частинок, що відбувається при зіткненні частки з античастинкою. При анігіляції частка і античастка зникають, перетворюючись на інші частки, число та сорт яких лімітуються законами збереження. Процес, обернений анігіляції, - народження пари. Сам собою позитрон стабільний, але у речовині через анігіляції з електронами існує дуже короткий час. Анігіляція електрона і позитрону полягає в тому, що вони при зустрічі зникають, перетворюючись на γ- кванти (фотони). А при зіткненні γ- кванта з якимось масивним ядром відбувається народження електронно-позитронної пари.

У 1955 році було виявлено ще одну античастинку - антипротон, а трохи пізніше - антинейтрон. Антинейтрон, так само як і нейтрон, не має електричного заряду, але він, безперечно, відноситься до античасток, оскільки бере участь у процесі анігіляції та народження пари нейтрон – антинейтрон.

Можливість отримання античастинок призвела вчених до ідеї створення антиречовини. Атоми антиречовини мають бути побудовані таким чином: у центрі атома - негативно заряджене ядро, що складається з антипротонів та антинейтронів, а навколо ядра звертаються позитрони, що мають позитивний заряд. Загалом атом також виходить нейтральний. Ця ідея одержала блискуче експериментальне підтвердження. 1969 року на прискорювачі протонів у місті Серпухові радянські фізики отримали ядра атомів антигелію. Також у 2002 році на прискорювачі ЦЕРНу в Женеві було отримано 50 000 атомів антиводню. Але, незважаючи на це, скупчення антиречовини у Всесвіті поки не виявлено. Також стає ясно, що при найменшій взаємодії антиречовини з будь-якою речовиною відбудеться їх анігіляція, яка супроводжуватиметься величезним викидом енергії, яка в кілька разів перевершує енергію атомних ядер, що є вкрай небезпечним для людей та навколишнього середовища.

В даний час експериментально виявлені античастинки майже всіх відомих елементарних частинок.

Велику роль фізиці елементарних частинок грають закони збереження, що встановлюють рівність між певними комбінаціями величин, що характеризують початковий та кінцевий стан системи. Арсенал законів збереження у квантовій фізиці більше, ніж у класичній. Він поповнився законами збереження різних парностей (просторової, зарядової), зарядів (лептонного, баріонного та інших.), внутрішніх симетрій, властивих тому чи іншому типу взаємодії.

Виділення характеристик окремих субатомних частинок - важливий, але лише початковий етап пізнання їхнього світу. На наступному етапі потрібно ще зрозуміти, яка роль кожної окремої частки, які її функції у структурі матерії.

Фізики з'ясували, що насамперед властивості частки визначаються її здатністю (або нездатністю) брати участь у сильній взаємодії. Частинки, що у сильному взаємодії, утворюють особливий клас і називаються адронами. Частинки, що беруть участь у слабкій взаємодії і не беруть участь у сильній, називаються лептонами. Крім того, існують частинки-переносники взаємодій.

2.3. Лептони.

Лептони вважаються істинно елементарними частинками. Хоча лептони можуть мати електричний заряд, а можуть і не мати, спін у всіх у них дорівнює 1/2. Серед лептонів найвідоміший електрон. Електрон – це перша з відкритих елементарних частинок. Як і решта лептонів, електрон, очевидно, є елементарним (у сенсі цього терміну) об'єктом. Наскільки відомо, електрон не складається з якихось інших частинок.

Інший добре відомий лептон – нейтрино. Нейтрино є найпоширенішими частинками Всесвіту. Всесвіт можна уявити безкраїм нейтринним морем, в якому зрідка зустрічаються острови у вигляді атомів. Але, незважаючи на таку поширеність нейтрино, вивчати їх дуже складно. Як ми вже зазначали, нейтрино майже невловимі. Не беручи участі ні в сильній, ні в електромагнітній взаємодії, вони проникають через речовину, ніби її взагалі немає. Нейтрино - це " привиди фізичного світу " .

Досить поширені у природі мюони, частку яких припадає значна частина космічного випромінювання. Багато в чому мюон нагадує електрон: має той же заряд і спин, бере участь у тих взаємодіях, але має велику масу (близько 207 мас електрона) і нестабільний. Приблизно за дві мільйонні частки секунди мюон розпадається на електрон та два нейтрино. Наприкінці 70-х років було виявлено третій заряджений лептон, який отримав назву "тау-лептон". Це дуже важка частка. Її маса близько 3500 мас електрона. Але в усьому іншому він веде себе подібно до електрона і мюона.

У 60-х роках список лептонів значно розширився. Було встановлено, що є кілька типів нейтрино: електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино. Таким чином, загальна кількість різновидів нейтрино дорівнює трьом, а загальна кількість лептонів – шести. Зрозуміло, кожен лептон має свою античастинку; таким чином, загальна кількість різних лептонів дорівнює дванадцяти. Нейтральні лептони беруть участь лише у слабкій взаємодії; заряджені - у слабкому та електромагнітному. Усі лептони беруть участь у гравітаційному взаємодії, але з здатні до сильним.

2.4. Адрони.

Якщо лептонів є трохи більше десятка, то адронів сотні. Така множина адронів наводить на думку, що адрони не елементарні частинки, а побудовані з дрібніших частинок. Усі адрони зустрічаються у двох різновидах - електрично заряджені та нейтральні. Серед адронів найбільш відомі та широко поширені нейтрон та протон, які у свою чергу відносяться до класу нуклонів. Інші адрони короткоживучі і швидко розпадаються. Адрони беруть участь у всіх фундаментальних взаємодіях. Вони діляться на баріони та мезони. До баріонів відносяться нуклони та гіперони.

Для пояснення існування ядерних сил взаємодії між нуклонами квантова теорія вимагала існування особливих елементарних частинок з масою більше за масу електрона, але менше за масу протона. Ці передбачені квантовою теорією частинки пізніше було названо мезонами. Мезони було виявлено експериментально. Їх виявилося ціле сімейство. Всі вони виявилися нестабільними частинками, що короткоживуть, що живуть у сободному стані мільярдні частки секунди. Наприклад, заряджений пі-мезон або півонія, має масу спокою 273 електронних маси та час життя:

t = 2.6 * 10 ^ (-8) с.

Далі при дослідженнях на прискорювачах заряджених частинок виявили частинки з масами, що перевищують масу протона. Ці частки було названо гіперонами. Їх виявилося навіть більше, ніж мезонів. До сімейства гіперонів відносяться: лямбда-, сигма-, кси-і омега-мінус-гіперони.

Існування та властивості більшості відомих адронів були встановлені у дослідах на прискорювачах. Відкриття безлічі різноманітних адронів у 50-60-х роках вкрай спантеличило фізиків. Але згодом адрони вдалося класифікувати за масою, зарядом та спиною. Поступово стала вибудовуватися більш менш чітка картина. З'явилися конкретні ідеї у тому, як систематизувати хаос емпіричних даних, розкрити таємницю адронів у науковій теорії. Вирішальний крок тут було зроблено у 1963 році, коли було запропоновано теорію кварків.

2.5. Теорія кварків.

Теорія кварків – це теорія будови адронів. Основна ідея цієї теорії є дуже простою. Усі адрони побудовані з дрібніших частинок, які називають кварками. Отже, кварки - це елементарні частки, ніж адрони. Кварки є гіпотетичними частинками, т.к. не спостерігалися у вільному стані. Баріонний заряд кварків дорівнює 1/3. Вони 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 належать до ферміонів. Основоположники теорії кварків Гелл-Манн і Цвейг, щоб врахувати всі відомі в 60-і роки адрони ввели три сорти (кольори) кварків: u (від up – верхній), d (від down – нижній) та s (від strange – дивний) .

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

Виявилося, що результуюча взаємодія між нейтронами і протонами в ядрі є просто залишковим ефектом більш потужної взаємодії між самими кварками. Це пояснило, чому сильна взаємодія видається такою складною. Коли протон " прилипає " до нейтрону чи іншого протону, у взаємодії беруть участь шість кварків, кожен із яких взаємодіє зі всіма іншими. Значна частина сил витрачається на міцне склеювання тріо кварків, а невелика - на скріплення двох тріо кварків один з одним. Але пізніше з'ясувалося, що кварки беруть участь і у слабкій взаємодії. Слабка взаємодія може змінювати колір кварка. Саме так відбувається розпад нейтрону. Один з d-кварків в нейтроні перетворюється на u-кварк, а надлишок заряду забирає електрон, що народжується одночасно. Аналогічним чином, змінюючи аромат, слабка взаємодія призводить до розпаду та інших адронів.

Те, що з різних комбінацій трьох основних частинок можна отримати всі відомі адрони, стало тріумфом теорії кварків. Але в 70-ті роки були відкриті нові адрони (псі-частки, іпсілон-мезон та ін.). Цим було завдано удару першому варіанту теорії кварків, оскільки в ній вже не було місця для жодної нової частки. Усі можливі комбінації з кварків та його антикварків було вже вичерпано.

Проблему вдалося вирішити за рахунок запровадження трьох нових кольорів. Вони отримали назву - з - кварк (charm - чарівність), b - кварк (від bottom - дно, а частіше beauty - краса, або краса), і згодом було введено ще один колір - t (від top - верхній).

До цього часу кварки та антикварки у вільному вигляді не спостерігалися. Проте сумнівів у реальності існування практично не залишилося. Понад те, ведуться пошуки наступних за кварками «справжніх» елементарних частинок - глюонів, які є носіями взаємодій між кварками, т.к. кварки скріплюються між собою сильною взаємодією, а глюони (колірні заряди) є переносниками сильної взаємодії. Область фізики елементарних частинок, що вивчає взаємодію кварків і глюонів, зветься квантовою хромодинамікою. Як квантова електродинаміка – теорія електромагнітної взаємодії, так квантова хромодинаміка – теорія сильної взаємодії. Квантова хромодинаміка - квантовопольова теорія сильної взаємодії кварків і глюонів, що здійснюється шляхом обміну між ними - глюонами (аналогами фотонів у квантовій електродинаміці). На відміну від фотонів, глюони взаємодіють один з одним, що призводить, зокрема, до зростання сили взаємодії між кварками та глюонами при видаленні їх один від одного. Передбачається, що саме ця властивість визначає короткодія ядерних сил та відсутність у природі вільних кварків та глюонів.

За сучасними уявленнями, адрони мають складну внутрішню структуру: баріони складаються з 3 кварків, мезони – з кварку та антикварка.

Хоча й існує деяка незадоволеність кварковою схемою, більшість фізиків вважає кварки справді елементарними частинками - точковими, неподільними і не мають внутрішньої структури. Щодо цього вони нагадують лептони, і вже давно передбачається, що між цими двома різними, але подібними за своєю структурою сімействами має існувати глибокий взаємозв'язок.

Отже, найімовірніше число істинно елементарних частинок (крім переносників фундаментальних взаємодій) наприкінці ХХ століття дорівнює 48. У тому числі: лептонів (6х2) = 12 і кварків (6х3)х2 =36.

2.6. Частинки – переносники взаємодій.

Перелік відомих частинок не вичерпується перерахованими частинками - лептонами та адронами, які утворюють будівельний матеріал речовини. Цей перелік не включений, наприклад, фотон. Є ще один тип частинок, які є безпосередньо будівельним матеріалом матерії, а забезпечують всі чотири фундаментальних взаємодії, тобто. утворюють свого роду "клей", що не дозволяє світові розпадатися на частини. Такі частки називаються переносниками взаємодій, причому окремий вид часток переносить свої взаємодії.

Переносником електромагнітної взаємодії між зарядженими частинками є фотон. Фотон – квант електромагнітного випромінювання, нейтральна частка з нульовою масою. Спин фотона дорівнює 1.

Теорія електромагнітної взаємодії була представлена ​​квантовою електродинамікою.

Переносники сильної взаємодії – глюони. Це гіпотетичні електрично нейтральні частинки з нульовою масою і спином 1. Подібно до кварків, глюони мають квантову характеристику «колір». Глюони – переносники взаємодії між кварками, т.к. пов'язують їх попарно чи трійками.

Переносники слабкої взаємодії три частинки - W+, W- та Z° бозони. Вони були відкриті лише у 1983 р. Радіус слабкої взаємодії надзвичайно малий, тому його переносниками мають бути частки з великими масами спокою. Відповідно до принципу невизначеності час життя частинок з такою великою масою спокою має бути надзвичайно коротким – лише близько 10n сек (де n = -26). Радіус переноситься цими частинками взаємодії дуже малий тому, що такі короткоживучі частинки не встигають відійти особливо далеко.

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). Теоретично, гравітон - квант гравітаційного поля, що має нульову масу спокою, нульовий електричний заряд та спін 2. У принципі гравітони можна зафіксувати в експерименті. Але оскільки гравітаційна взаємодія дуже слабка і в квантових процесах практично не проявляється, то безпосередньо зафіксувати гравітони дуже складно, і поки що це не вдалося жодному вченому.

Класифікація частинок на лептони, адрони та переносники взаємодій вичерпує світ відомих нам субатомних частинок. Кожен вид часток відіграє свою роль у формуванні структури матерії та Всесвіту.

3. Теорії елементарних частинок.

3.1. Квантова електродинаміка (КЕД).

Квантова теорія поєднує квантову механіку, квантову статистику та квантову теорію поля.

Квантова механіка (хвильова механіка) - теорія, що встановлює спосіб опису та закони руху мікрочастинок у заданих зовнішніх полях. Вона дозволяє описувати рух елементарних частинок, але з їх породження чи знищення, т. е. застосовується лише описи систем з незмінним числом частинок. Квантова механіка – один із основних розділів квантової теорії. Квантова механіка вперше дозволила описати структуру атомів і зрозуміти їх спектри, встановити природу хімічного зв'язку, пояснити періодичну систему елементів і т. д. Оскільки властивості макроскопічних тіл визначаються рухом і взаємодією частинок, що їх утворюють, закони квантової механіки лежать в основі розуміння більшості макроскопічних явищ. Так, квантова механіка дозволила зрозуміти багато властивостей твердих тіл, пояснити явища надпровідності, феромагнетизму, надплинності та багато іншого. Квантовомеханічні закони лежать в основі ядерної енергетики, квантової електроніки і т.д. носії і корпускулярних і хвильових властивостей, які не виключають, а доповнюють один одного. Хвильова природа електронів, протонів та інших частинок підтверджена дослідами щодо дифракції частинок. Стан квантової системи описується хвильовою функцією, квадрат модуля якої визначає ймовірність цього стану і, отже, ймовірності для значень фізичних величин, що його характеризують. З квантової механіки випливає, що не всі фізичні величини можуть одночасно мати точні значення. Хвильова функція підпорядковується принципу суперпозиції, що пояснює, зокрема, дифракцію частинок. Відмінна риса квантової теорії - дискретність можливих значень для низки фізичних величин: енергії електронів в атомах, моменту кількості руху та його проекції на довільний напрямок тощо; у класичній теорії всі ці величини можуть змінюватися лише безперервно. Фундаментальну роль квантової механіки грає постійна Планка ћ - одне із основних масштабів природи, що розмежовує області явищ, які можна описувати класичної фізикою, від областей, для правильного тлумачення яких необхідна квантова теорія. Постійну Планку названо на ім'я М. Планка. Вона дорівнює:

О = h/2π ≈ 1,0546. 10 ^ (-34) Дж. с.

Узагальненням квантової механіки є квантова теорія поля – це квантова теорія систем із нескінченним числом ступенів свободи (фізичних полів). Квантова теорія поля є основним апаратом фізики елементарних частинок, їх взаємодій та взаємоперетворень. Потреба такої теорії породжується квантово-хвильовим дуалізмом, існуванням хвильових властивостей в усіх частинок. У квантової теорії поля взаємодію представляють як наслідок обміну квантами поля. Ця теорія включає теорію електромагнітної (квантову електродинаміку) і слабкої взаємодії, що виступають у сучасній теорії як єдине ціле (електрослабка взаємодія), і теорію сильної (ядерної) взаємодії (квантову хромодинаміку).

Квантова статистика - статистична фізика квантових систем, що з великої кількості частинок. Для частинок із цілим спином – це статистика Бозе Ейнштейна, із напівцілим – статистика Фермі Дірака.

У середині ХХ століття була створена теорія електромагнітної взаємодії – квантова електродинаміка КЕД – це продумана до найдрібніших деталей та оснащена досконалим математичним апаратом теорія взаємодії фотонів та електронів. В основі КЕД – опис електромагнітної взаємодії з використанням поняття віртуальних фотонів – його переносників. Ця теорія задовольняє основним принципам як квантової теорії, і теорії відносності.

У центрі теорії аналіз актів випромінювання або поглинання одного фотона однією зарядженою часткою, а також анігіляції електронно-позитронної пари у фотон або породження фотонами такої пари.

Якщо в класичному описі електрони представляються у вигляді твердої точкової кульки, то в КЕД навколишнє електрона електромагнітне поле розглядається як хмара віртуальних фотонів, яка слідує за електроном, оточуючи його квантами енергії. Після того, як електрон випускає фотон, той породжує віртуальну електронно-позитронну пару, яка може анігілювати з утворенням нового фотона. Останній може поглинути вихідний фотон, але може породити нову пару і т.д. Таким чином, електрон покривається хмарою віртуальних фотонів, електронів і позитронів, що перебувають у стані динамічної рівноваги. Фотони виникають і зникають дуже швидко, а електрони рухаються у просторі не за цілком певними траєкторіями. Ще можна тим чи іншим способом визначити початкову та кінцеву точки шляху – до і після розсіювання, але сам шлях у проміжку між початком та кінцем руху залишається невизначеним.

Опис взаємодії за допомогою частки-переносника призвело до розширення поняття фотона. Вводяться поняття реального (кванту видимого нами світла) та віртуального (швидкотного, примарного) фотона, який "бачать" лише заряджені частинки, що зазнають розсіяння.

Щоб перевірити, чи теорія узгоджується з реальністю, фізики зосередили увагу на двох ефектах, що представляли особливий інтерес. Перший стосувався енергетичних рівнів атома водню – найпростішого атома. Згідно з КЕД, рівні мають бути злегка зміщені щодо положення, яке вони займали б за відсутності віртуальних фотонів. Друга вирішальна перевірка КЕД стосувалася дуже малої поправки до свого магнітного моменту електрона. Теоретичні та експериментальні результати перевірки КЕД збігаються з найвищою точністю – понад дев'ять знаків після коми. Така разюча відповідність дає право вважати КЕД найбільш досконалою з існуючих природничо-наукових теорій.

Після такого тріумфу КЕД була прийнята як модель для квантового опису трьох інших фундаментальних взаємодій. Зрозуміло, полям, що з іншими взаємодіями, повинні відповідати інші частки-переносники.

3.2. Теорія електрослабкої взаємодії.

У 70-ті роки ХХ століття в природознавстві відбулася визначна подія: дві фундаментальні взаємодії з чотирьох фізики об'єднали в одну. Картина фундаментальних основ природи дещо спростилася. Електромагнітна та слабка взаємодії, здавалося б дуже різні за своєю природою, насправді виявилися двома різновидами єдиної електрослабкої взаємодії. Теорія електрослабкої взаємодії вирішальним чином вплинула подальший розвиток фізики елементарних частинок наприкінці ХХ століття.

Головна ідея у побудові цієї теорії полягала в описі слабкої взаємодії мовою концепції калібрувального поля, відповідно до якої ключем до розуміння природи взаємодій служить симетрія. Одна з фундаментальних ідей у ​​фізиці другої половини ХХ століття – це переконання, що всі взаємодії існують лише для того, щоб підтримувати у природі певний набір абстрактних симетрій. Який стосунок має симетрія до фундаментальних взаємодій? На перший погляд, саме припущення про існування такого зв'язку здається парадоксальним та незрозумілим.

Насамперед про те, що розуміється під симетрією. Прийнято вважати, що предмет має симетрію, якщо предмет залишається незмінним у результаті проведення тієї чи іншої операції щодо його перетворення. Так, сфера симетрична, тому що виглядає однаково при повороті на будь-який кут щодо її центру. Закони електрики симетричні щодо заміни позитивних зарядів негативними та навпаки. Таким чином, під симетрією ми розуміємо інваріантність щодо певної операції.

Існують різні типи симетрій: геометричні, дзеркальні, негеометричні. Серед негеометричних є так звані калібрувальні симетрії. Калібрувальні симетрії носять абстрактний характер і безпосередньо не фіксуються. Вони пов'язані зі зміною відліку рівня, масштабу чи значення деякої фізичної величини. Система має калібрувальну симетрію, якщо її природа залишається незмінною при такого роду перетворенні. Приміром, у фізиці робота залежить від різниці висот, а чи не від абсолютної висоти; напруга - від різниці потенціалів, а чи не від їх абсолютних величин та інших. симетрії, у яких грунтується перегляд розуміння чотирьох фундаментальних взаємодій, саме така. Калібрувальні перетворення можуть бути глобальними та локальними. Калібрувальні перетворення, що змінюються від точки до точки, відомі під назвою "локальних" калібрувальних перетворень. У природі існує ціла низка локальних калібрувальних симетрій і необхідне відповідне число полів для компенсації цих калібрувальних перетворень. Силові поля можна розглядати як засіб, за допомогою якого в природі створюються властиві їй локальні калібрувальні симетрії. Значення концепції калібрувальної симетрії полягає в тому, що завдяки їй теоретично моделюються всі чотири фундаментальні взаємодії, що зустрічаються в природі. Усі їх можна розглядати як калібрувальні поля.

Представляючи слабке взаємодія як калібрувального поля, фізики виходять із те, що це частки, що у слабкому взаємодії, служать джерелами поля нового типу - поля слабких сил. Слабо взаємодіючі частинки, такі, як електрони та нейтрино, є носіями "слабкого заряду", який аналогічний електричному заряду та пов'язує ці частинки зі слабким полем.

Для представлення поля слабкої взаємодії як калібрувального насамперед необхідно встановити точну форму відповідної калібрувальної симетрії. Справа в тому, що симетрія слабкої взаємодії набагато складніша за електромагнітну. Адже й сам механізм цієї взаємодії виявляється складнішим. По-перше, при розпаді нейтрону, наприклад, у слабкій взаємодії беруть участь частинки принаймні чотирьох різних типів (нейтрон, протон, електрон та нейтрино). По-друге, дія слабких сил призводить до зміни їх природи (перетворення одних частинок на інші за рахунок слабкої взаємодії). Навпаки, електромагнітна взаємодія не змінює природи частинок, що беруть у ньому участь.

Це визначає та обставина, що слабкій взаємодії відповідає більш складна калібрувальна симетрія, пов'язана із зміною природи частинок. З'ясувалося, що для підтримки симетрії тут потрібні три нові силові поля, на відміну від єдиного електромагнітного поля. Було отримано і квантовий опис цих трьох полів: повинні існувати три нові типи частинок - переносників взаємодії, по одному для кожного поля. Всі разом вони називаються важкими векторними бозонами зі спином і є переносниками слабкої взаємодії.

Частинки W+ та W- є переносниками двох із трьох пов'язаних зі слабкою взаємодією полів. Третє поле відповідає електрично нейтральній частинці-переноснику, що отримала назву Z - частинки. Існування Z - частки означає, що слабка взаємодія може супроводжуватися переносом електричного заряду.

У створенні теорії електрослабкої взаємодії ключову роль зіграло поняття спонтанного порушення симетрії: не всяке рішення завдання має мати всі властивості його вихідного рівня. Так, частки, зовсім різні при низьких енергіях, при високих енергіях можуть виявитися насправді однією і тією ж часткою, але в різних станах. Спираючись на ідею спонтанного порушення симетрії, автори теорії електрослабкої взаємодії Вайнберг і Салам зуміли вирішити велику теоретичну проблему - вони поєднали здавалося б несумісні речі: значну масу переносників слабкої взаємодії, з одного боку, і ідею калібрувальної інваріантності, яка передбачає означає нульову масу спокою частинок-переносників, з іншого. Таким чином поєднали електромагнетизм і слабку взаємодію в єдиній теорії калібрувального поля.

У цій теорії представлено всього чотири поля: електромагнітне поле та три поля, що відповідають слабким взаємодіям. Крім того, введено постійне по всьому просторі скалярне поле (різновид поля Хіггса), з яким частинки взаємодіють по-різному, що і визначає відмінність їх мас. Кванти скалярного поля є нові елементарні частинки з нульовим спином. Їх називають хіггсовськими (на ім'я фізика П. Хіггса, який припустив їх існування). Число таких хіггсівських бозонів може досягати кількох десятків. На досвіді такі бозони поки що не виявлені. Більше того, ряд фізиків вважає їх існування необов'язковим, але досконалої теоретичної моделі без хіггсовських бозонів поки не знайдено. Спочатку W і Z – кванти не мають маси, але порушення симетрії призводить до того, що деякі частинки Хіггса зливаються з W та Z – частинками, наділяючи їх масою.

Відмінності властивостей електромагнітного та слабкого взаємодій теорія пояснюється порушенням симетрії. Якби симетрія не порушувалася, то обидві взаємодії були порівняні за величиною. Порушення симетрії спричиняє різке зменшення слабкої взаємодії. Можна сміливо сказати, що слабке взаємодія має настільки малу величину оскільки W і Z - частки дуже потужні. Лептони рідко зближуються на такі малі відстані (r 10n див, де n = -16). Але при великих енергіях ( > 100 Гев), коли частинки W і Z можуть вільно народжуватися, обмін W і Z - бозонами здійснюється так само легко, як обмін фотонами (безмасовими частинками). Різниця між фотонами та бозонами стирається. У цих умовах має існувати повна симетрія між електромагнітною та слабкою взаємодією – електрослабка взаємодія.

Перевірка нової теорії полягала у підтвердженні існування гіпотетичних W та Z – частинок. Їх відкриття стало можливим лише зі створенням дуже великих прискорювачів нового типу. Відкриття 1983 року W і Z - частинок означало торжество теорії електрослабкої взаємодії. Не було більше потреби говорити про чотири фундаментальні взаємодії. Їх лишилося три.

3.3. Квантова хромодинаміка.

Наступний крок на шляху Великого об'єднання фундаментальних взаємодій – злиття сильної взаємодії з електрослабким. Для цього необхідно надати рис калібрувального поля сильній взаємодії та ввести узагальнене уявлення про ізотопічну симетрію. Сильну взаємодію можна представляти як результат обміну глюонами, які забезпечують зв'язок кварків (попарно чи трійками) до адронів.

Задум тут полягає в наступному. Кожен кварк має аналог електричного заряду, що служить джерелом глюонного поля. Його назвали кольором (зрозуміло, ця назва не має жодного відношення до звичайного кольору). Якщо електромагнітне поле породжується зарядом лише одного сорту, то створення більш складного глюонного поля знадобилося три різних колірних заряду. Кожен кварк "забарвлений" в один із трьох можливих кольорів, які цілком довільно були названі червоним, зеленим та синім. І відповідно антикварки бувають античервоні, антизелені та антисині.

На наступному етапі теорія сильної взаємодії розвивається за тією ж схемою, що і теорія слабкої взаємодії. Вимога локальної калібрувальної симетрії (тобто інваріантності щодо змін кольору в кожній точці простору) призводить до необхідності введення силових полів, що компенсують. Усього потрібно вісім нових силових полів, що компенсують. Частинками-переносниками цих полів є глюони, і, таким чином, з теорії випливає, що має бути цілих вісім різних типів глюонів, у той час як переносник електромагнітної взаємодії – лише один (фотон), а переносників слабкої взаємодії – три. Глюони мають нульову масу спокою та спин 1. Глюони також мають різні кольори, але не чисті, а змішані (наприклад, синьо-антизелений). Тому випромінювання або поглинання глюону супроводжується зміною кольору кварку ("гра кольорів"). Так, наприклад, червоний кварк, втрачаючи червоно-антисиній глюон, перетворюється на синій кварк, а зелений кварк, поглинаючи синьо-антизелений глюон, перетворюється на синій кварк. У протоні, наприклад, три кварки постійно обмінюються глюонами, змінюючи свій колір. Однак такі зміни носять не довільний характер, а підкоряються жорсткому правилу: у будь-який момент часу "сумарний" колір трьох кварків повинен бути білим світлом, тобто. суму "червоний + зелений + синій". Це поширюється і на мезони, що складаються з пари кварк – антикварк. Оскільки антикварк характеризується антикольором, така комбінація явно безбарвна ("біла"), наприклад червоний кварк у комбінації з античервоним кварком утворює безбарвний мезон.

З погляду квантової хромодинаміки (квантової теорії кольору) сильна взаємодія є не що інше, як прагнення підтримувати певну абстрактну симетрію природи: збереження білого кольору всіх адронів за зміни кольору їх складових частин. Квантова хромодинаміка чудово пояснює правила, яким підпорядковуються всі комбінації кварків, взаємодія глюонів між собою, складну структуру адрону, що складається з "одягнених" у хмари кварків та ін.

Можливо, поки що передчасно оцінювати квантову хромодинаміку як остаточну і завершену теорію сильної взаємодії, проте її досягнення багатообіцяючі.

3.4. Дорогою до... Великого об'єднання.

Зі створенням квантової хромодинаміки виникла надія створення єдиної теорії всіх (чи хоча б трьох із чотирьох) фундаментальних взаємодій. Моделі, які єдиним чином описують хоча б три з чотирьох фундаментальних взаємодій, називаються моделями Великого об'єднання. Теоретичні схеми, у яких об'єднуються всі відомі типи взаємодій (сильне, слабке, електромагнітне і гравітаційне) називаються моделями супергравітації.

Досвід успішного об'єднання слабкої та електромагнітної взаємодій на основі ідеї калібрувальних полів підказав можливі шляхи подальшого розвитку принципу єдності фізики, об'єднання фундаментальних фізичних взаємодій. Один з них заснований на тому дивовижному факті, що константи взаємодії електромагнітної, слабкої та сильної взаємодій стають рівними один одному за однієї і тієї ж енергії. Цю енергію називали енергією об'єднання. При енергії більше 10n ГеВ, де n = 14 або на відстанях r 10n см, де n = -29 сильні і слабкі взаємодії описуються єдиною константою, тобто мають загальну природу. Кварки та лептони тут практично не помітні.

У 70-90-ті роки було розроблено кілька конкуруючих між собою теорій Великого об'єднання. Всі вони засновані на одній і тій самій ідеї. Якщо електрослабка і сильна взаємодія насправді є лише двома сторонами великої єдиної взаємодії, то останньому також має відповідати калібрувальне поле з деякою складною симетрією. Вона (симетрія) повинна бути досить загальною, здатною охопити всі калібрувальні симетрії, що містяться і в квантовій хромодинаміці і теорії електрослабкої взаємодії. Знаходження такої симетрії - головне завдання на шляху створення єдиної теорії сильної та електрослабкої взаємодії. Існують різні підходи, що породжують конкуруючі варіанти теорій Великого об'єднання.

Проте всі ці гіпотетичні варіанти Великого об'єднання мають низку спільних особливостей:

По-перше, у всіх гіпотезах кварки та лептони - носії сильної та електрослабкої взаємодій - включаються в єдину теоретичну схему. Досі вони розглядалися як абсолютно різні об'єкти.

По-друге, залучення абстрактних калібрувальних симетрій призводить до відкриття нових типів полів, що мають нові властивості, наприклад, здатність перетворювати кварки на лептони. У найпростішому варіанті теорії Великого об'єднання перетворення кварків на лептони потрібно двадцять чотири поля. Дванадцять із квантів цих полів вже відомі: фотон, дві W – частинки, Z – частка та вісім глюонів. Інші дванадцять квантів – нові надважкі проміжні бозони, об'єднані загальною назвою Х та У – частинки (з електричним зарядом 1/3 та 4/3). Ці кванти відповідають полям, що підтримують ширшу калібрувальну симетрію та перемішують кварки з лептонами. Отже, кванти цих полів (тобто Х і У - частки) можуть перетворювати кварки на лептони (і навпаки).

На основі теорій Великого об'єднання передбачено принаймні дві важливі закономірності, які можуть бути перевірені експериментально: нестабільність протона і існування магнітних монополів. Експериментальне виявлення розпаду протона та магнітних монополів могло б стати вагомим аргументом на користь теорій Великого об'єднання. На перевірку цих прогнозів спрямовані зусилля експериментаторів. Але поки що твердо встановлених експериментальних даних щодо цього немає. Справа в тому, що теорії Великого об'єднання мають справу з енергією частинок вище 10n ГеВ, де n = 14. Це дуже висока енергія. Важко сказати, коли вдасться отримати частки таких високих енергій у прискорювачах. Цим пояснюється, зокрема, труднощі виявлення Х та У – бозонів. І тому основною сферою застосування та перевірки теорій Великого об'єднання є космологія. Без цих теорій неможливо описати ранню стадію еволюції Всесвіту, коли температура первинної плазми досягала 10n До, де n = 27 . Саме в таких умовах могли народжуватися та анігілювати надважкі частки.

Отже, зрозуміло, що підтвердження теорії Великого об'єднання - основне завдання фізиків сьогодні, т.к. ця теорія як допоможе пов'язати розрізнені фрагменти людських знань у єдину картину, а й зробити крок шляху до пізнання виникнення Всесвіту.

Список використаної літератури.

Довідник школяра. 5-11 класи. 2004

Комп'ютерна енциклопедія Кирила та Мефодія. 2005

І. Л. Розенталь «Елементарні частки та структура Всесвіту». 1984

Проблема елементарних частинок

На різних етапах просування «вглиб» речовини елементарними (безструктурними) називалися різні частки. У пошуках основних "цеглинок" світобудови людина спочатку встановила, що всі сполуки складаються з "елементарних" молекул. Потім виявилося, що молекули збудовані з «елементарних» атомів. Через століття було виявлено, що "елементарні" атоми побудовані з "елементарних" ядер і обертаються навколо них по орбітах електронів. Нарешті було відкрито, що самі ядра побудовані з протонів і нейтронів, які ще порівняно недавно вважалися елементарними частинками, які не мають внутрішньої структури. Після відкриття в 1932 р. нейтрону здавалося, що встановлені основні будівельні блоки, з яких побудовано звичайну речовину, - це протони, нейтрони, електрони та фотони.

Але, починаючи з 1933 року, кількість виявлених елементарних частинок стрімко зростає. Коли їх число перевалило за сотню, стало ясно, що така величезна кількість часток не може виступати елементарними складовими матерії.

Знову відкриті елементарні частинки намагалися класифікувати насамперед за масою. Так, з'явилося розподіл елементарних частинок на лептони (легкі) та баріони (важкі). Відомі нам електрон, позитрон і нейтрино відносяться до лептонів, а протон та нейтрон до баріонів. Існує ще одна група елементарних частинок – мезони (проміжні).

Баріони та мезони як частинки, що беруть участь у так званій сильній взаємодії (див. далі) часто об'єднують у групу адронів.

Проблема елементарних частинок, кількість яких перевищила три з половиною сотні, тривалий час видавалася нерозв'язною. Прорив стався, коли у 60-ті роки було запропоновано кваркова модель , основу якої лежала гіпотеза про існування нових істинно елементарних частинок, названих кварками . У рамках кваркової моделі всі баріони розглядаються як комбінації трьох кварків, а мезони – комбінації кварку та антикварку.

Основні характеристики елементарних частинок

Головними характеристиками елементарних частинок є такі:

Маса – m

Час життя – τ

Електричний заряд- q

Баріонне та лептонне числа (заряди)- B, L

Спін – s

Однією з головних характеристик субатомних частинок є їхня маса, яка одночасно визначає їхню енергію спокою. Серед часток з нульовою масою найбільш відомі фотони. Маса нейтрино, можливо, також дорівнює нулю. Електрон - найлегша зі стабільних частинок з ненульовою масою (me = 0.911 · 10-30 кг). Протон має мінімальну масу серед баріонів

(m p = 1.672 · 10 -27 кг). Маса нейтрону дещо більша за масу протона: mn − mp

2.5me.

Електрон та протон – стабільні частинки. Час життя вільного нейтрона близько 900 секунд. Більшість елементарних частинок дуже нестабільні, їх часи життя коливаються в межах від декількох мікросекунд до 10-23 с.

Електричний заряд.Електричні заряди всіх вивчених елементарних частинок (крім кварків!) є цілими кратними величинами e

1.6·10-19 Кл (e – елементарний заряд, чисельно рівний заряду електрона, або протона). У світі діє універсальний закон збереження електричного заряду: сумарний електричний заряд ізольованої системи зберігається.

Баріонне (B) та лептонне (L) числа (заряди) характеризують належність частинки до класу баріонів чи лептонів. У баріонів немає лептонного заряду ( L =0), для частинок-баріонів B = 1, для античасток B = -1. У лептонів відсутня баріонний заряд, які лептонний заряд дорівнює L = 1 – для частинок (електрон, нейтрино) та відповідно L = -1 – для античасток (позитрон, антинейтрино).

Основна властивість елементарних частинок – це їхня здатність до взаємоперетворень, які протікають лише за умови, що зберігаються всі види розглянутих вище зарядів: електричний, баріонний, лептонний (плюс закони збереження енергії, імпульсу та моменту імпульсу).

Спін (s ) – особлива внутрішня характеристика елементарних частинок, пов'язана з їх власним (спиновим) моментом, що вимірюється в

одиницях h (постійна Планка) або ћ =									(h перекреслене).
В одиницях ћ спин всіх елементарних частинок набуває значення або
цілі: 0, 1, 2, … або напівцілі: 1								, …

Частинки з напівцілим спином називають ферміонами, а частинки з цілим спином - бозонами. Ферміони підкоряються принципу заборони Паулі,згідно з яким дві однакові частинки не можуть перебувати в одному квантовому стані.34 Усі ферміони є частинками речовини.

Бозони, навпаки, всі прагнуть потрапити в той самий стан. Усі бозони є частинками-квантами якогось поля. З усіх бозонів найпоширенішими у Всесвіті є фотони.

34 Квантовий стан повністю характеризується набором із чотирьох квантових чисел: три з яких пов'язані з тривимірністю простору, а четверте зі спином.

Таким чином, ферміони виступають як «сугубі індивідуалісти», в той час як бозони є справжніми «колективістами».

Фундаментальні ферміони – лептони та кварки

В даний час істинно елементарними частинками, з яких побудовано всю речовину в нашому світі, вважаються лептони та кварки, спин яких дорівнює ½.

Сімейство лептонів складається з частинок трьох поколінь: першому поколіннювідносяться електрон e - та електронного нейтрино e ; друге покоління– мюон μ та мюонне нейтриноν μ і, нарешті, третє покоління–

таон τ - та таонне нейтрино ν τ :

				μ −
	ν e			νμ		ν τ

Електрон, мюон і таон з'являються в парі тільки зі своїми нейтрино. Величезна проникаюча здатність, відсутність заряду і надзвичайно мала, можливо, нульова маса довгі роки робили їх невловимими. Найневловимішою з усіх елементарних частинок виявилося тау-нейтрино, відкрите лише влітку 2000 року.

Нейтрино настільки «безтілесні», що легко пронизують товщу Землі і здатні пройти шар свинцю завтовшки кілька світлових років. Тим часом, нейтрино, поряд із фотонами, найпоширеніші частки у нашому світі. Якщо вся речовина, включаючи всі галактики та міжгалактичний пил, рівномірно розмішати по всьому об'єму Всесвіту, то на кожен кубічний метр простору доведеться по одному протону та одному електрону. Фотонів же і нейтрино в мільярди разів більше: у кожному кубічному сантиметрі близько 500 частинок.

Нейтрино вперше були введені Паулі для пояснення β-розпадів ядер,

при яких відбувається перетворення протона на нейтрон (так званий β + - розпад ) і нейтрону на протон:

	→ 0 n						→ 1 p	+− 1 e

Зазначимо, що перетворення нейтрона в протон енергетично вигідно (оскільки маса протона менше маси нейтрона). Саме цим пояснюється нестабільність вільного нейтрону.

Якщо процес перетворення нейтрона на протон відбувається всередині ядра,

його називають - - - розпад. При цьому β-частина є електроном.

Процес перетворення протона на нейтрон пов'язаний із витратами енергії і може відбуватися тільки всередині ядра. β + - розпад супроводжується народженням частинки, повністю аналогічної електрону, але з протилежним за знаком електричним зарядом, яка отримала назву позитрон +1 e 0 .

Крім електрона (або позитрону) в β - розпадах бере участь ще одна елементарна частка, що отримала назву нейтрино - 0 ν 0 (частка,

що супроводжує β - − розпад).

Античастинки

Існування електрона та позитрону наводить на думку, що й інші елементарні частинки можуть мати своїх «двійників». Справді, практично кожна частина має свою античастинку, маса якої строго дорівнює масі частинки, а знак заряду протилежний. Існує досить рідкісний тип істинно нейтральних частинок, у яких немає двійників (фотон). В принципі можуть існувати антиатом , ядро ​​якого складається з антипротонів і антинейтронів, а електрони замінені антиелектронами (позитронами), антимолекула і, нарешті, антиречовина , властивості якого нічим не відрізнятимуться від властивостей звичайної речовини.

Найважливіша властивість частинок і античастинок - це їхня здатність до анігіляції. Анігіляція пари частка - античастка (від лат. annihilatio -

знищення, зникнення) − один із видів взаємоперетворення елементарних частинок, що супроводжується виділенням енергії, наприклад, перетворення електрона та позитрону при їх зіткненні на фотони (електромагнітне випромінювання):

1 e0 + +1 e0 → 2γ

Можливий зворотний ефект – утворення електрон-позитронної пари при зіткненні двох фотонів. Зрозуміло, що енергія фотонів повинна бути не меншою за подвійну енергію спокою електрона E γ > 2m e c 2 (трохи більше

1МеВ).

Наш світ складається із речовини. На Землі, у Сонячній системі та в безпосередньо оточуючому Сонячній системі космічному просторі відсутня скільки-небудь помітна кількість антиречовини, тому що через реакції анігіляції тісне співіснування частинок і античастинок неможливо. Ті небагато античастин, які вдається зробити в лабораторних умовах, рано чи пізно гинуть. Тривале існування стабільних античасток (наприклад, антипротонів чи позитронів) можливе лише за низької щільності речовини – у спеціальних накопичувачах заряджених частинок чи космічному просторі. Питання, чому наш світ складається з речовини, коли і чому виникла асиметрія нашого Всесвіту, мають принципове значення і продовжують привертати увагу фізиків-теоретиків.

Друге сімейство фундаментальних елементарних частинок, з яких побудовано адрони (баріони та мезони), отримало назву кварків. Існує шість різновидів кварків, (фізики називають їх «ароматами» – flavours) які, подібно до лептонів, групуються в пари і утворюють три покоління. Перше покоління– u та d кварки (up - верхній та down

Нижній); друге покоління - s та c кварки (strange - дивний та charm –

зачарований) та, нарешті, третє покоління – b та t кварки (beauty – красивий та true – вірний ; іноді їх називають bottom та top ). Останній шостий t-кварк був виявлений порівняно недавно (1995 року).

Кварки є ферміонами (їх спин дорівнює?, як і у лептонів). При цьому можливі два внутрішні квантові стани з проекціями вектора-

спина: +1/2 та -1/2

Баріонне число для кварків дорівнює одній третині B = 1/3, для антикварків

− B = –1/3. У кожного кварку є ще одна характеристика, яку фізики назвали ароматом (дивина, чарівність і т.д.).

Найдивовижнішим є те, що кварки мають дробовий електричний заряд, величина якого становить або 2/3 від елементарного заряду (при цьому заряд кварка позитивний), або 1/3 від заряду електрона (знак заряду при цьому негативний).

Усі баріони є комбінаціями трьох кварків. Нуклони – фундаментальна основа атомних ядер є найлегшими баріонами і складаються з кварків першого покоління. Протон складається з двох u-кварків та одного d-кварка, нейтрон з двох d-кварків та одного u-кварка:

Легко перевірити, що заряд протона у своїй виявляється рівним одиниці (2/3+2/3–1/3 = +1), а заряд нейтрона нулю (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0).

Нейтрон важчий за протон, тому що d-кварк важчий за u-кварку.

Отримує нове пояснення процеси β + - і β - розпадів як взаємоперетворення кварків (u d ).

Мезони виходять із поєднання пари кварк-антикварк. Зрозуміло, що
баріонна кількість мезонів дорівнює нулю,						спин дорівнює	нулю чи одиниці.
Поєднання з трьох антикварків утворюють антибаріони (антипротони,
антинейтрони і т.д.).
У таблиці 1 подано всі фундаментальні ферміони -
структурні одиниці будови речовини
			Таблиця №1
		Фундаментальні ферміони
Фундамен-
	Покоління						III-е Електри-
ферміони			покоління			покоління	покоління
	заряджені
			електрон					−1
						νμ	ντ
	нейтрино		електронне
					зачарований		істинний
							Вродливий
Все різноманіття адронів виникає за рахунок різних поєднань
наведених						ароматів.

відповідають пов'язані стану, побудовані тільки з u - і d-кварків. Якщо ж у зв'язаному стані, поряд з u- і d-кварками, є, наприклад, s- або c-кварк, то відповідний адрон називають дивний або

зачарований.

Та обставина, що з різних комбінацій кварків можна отримати всі відомі баріони та мезони, символізувала головний тріумф теорії кварків. Проте всі зусилля виявити поодинокі кварки виявилися марними. Склалася парадоксальна ситуація. Усередині адронів кварки, безперечно, існують. Про це свідчить не лише розглянута кваркова систематика адронів, а й пряме просвічування нуклонів швидкими електронами. У цьому експерименті (по суті, повністю аналогічному досвіду Резерфорда) було виявлено, що всередині адронів електрони розсіюються на точкових частинках із зарядами, рівними -1/3 і +2/3 і спином, рівним ½, тобто отримані прямі фізичні докази існування кварків усередині адронів. А ось вирвати кварки з адронів неможливо. Це явище отримало назву «конфаймент»

(confinement- полону, англ.).

Фундаментальні взаємодії

Наступне важливе питання, який має відповісти наука до пояснення будови речовини, пов'язані з природою і характером взаємодії між частинками, що з певних умов призводить до утворення пов'язаних станів. Що ж змушує кварки об'єднуватися в нуклони, нуклони в ядра, ядра та електрони в атоми, атоми молекули? Чому у Всесвіті існують скупчення речовини у вигляді планет, зірок, галактик? Яка природа сил, що викликають усі ті зміни, що відбуваються у нашому матеріальному світі?

Виявляється, все, що відбувається в природі, можна звести всього до

чотирьом фундаментальним взаємодіям

Роль фундаментальних взаємодій у природі

Гравітаційна взаємодіяє найслабшим і водночас найуніверсальнішим. Гравітаційна взаємодія діє між будь-якими об'єктами, що мають масу або енергію. Саме гравітація не дозволяє Всесвіту розвалитися на частини, збираючи речовину в планети та зірки, утримуючи планети на орбітах, «зв'язуючи» зірки в галактики. Взагалі, в астрономічних масштабах гравітаційна взаємодія грає визначальну роль. У мікросвіті гравітацію можна знехтувати порівняно з іншими інтенсивнішими взаємодіями.

Електромагнітна взаємодія властиво всім часткам,

що володіє електричним зарядом. Як і гравітаційна, електромагнітна взаємодія є далекодіючою, а закон, що визначає силу, що діє між точковими зарядами, що лежать, аналогічний закону тяжіння - це відомий зі школи закон Кулона:

		m 1 m 2			q 1 q 2

Однак, на відміну від гравітації, яка завжди є тяжінням, електричне тяжіння існує лише між зарядами різного знака, тоді як однойменні заряди відштовхуються. Саме завдяки електромагнітній взаємодії можливе утворення атомів та молекул. Міжмолекулярні сили, що визначають властивості різних агрегатних станів речовини також мають електричну природу. До нього фактично зводиться більшість фізичних сил, що спостерігаються (пружності, тертя та ін.), саме воно лежить в основі хімічних перетворень речовин і всіх спостерігаються електричних, магнітних і оптичних явищ.

Сильна та слабка взаємодії виявляються лише у мікросвіті, на суб'ядерному рівні.

Сильна взаємодіявластиво кваркам та утворенням з кварків – адронам. Основна функція сильної взаємодії – з'єднувати кварки (і антикварки) у адрони. Ядерні сили, які поєднує нуклони в ядра, є специфічними відлуннями сильної взаємодії (його часто називають залишковою сильною взаємодією).

Слабка взаємодіяпритаманне всім фундаментальним ферміонам. Для нейтрино - це єдина взаємодія, в якій вони беруть участь. На відміну від сильної взаємодії, функція слабкої взаємодії полягає у зміні природи (аромату) частинок, тобто у перетворенні одного кварку на інший (те саме стосується і лептонів).

За відсутності слабкої взаємодії стабільними були б не тільки протон та електрон, а й мюони, π – мезони, дивні та зачаровані частки, які розпадаються внаслідок слабкої взаємодії. Якби вдалося «вимкнути» слабку взаємодію, то згасло б Сонце,

оскільки був би неможливий процес перетворення протона в нейтрон (β - розпад), в результаті якого чотири протони перетворюються на 2 Не4, два позитрони і два нейтрино (так званий водневий цикл, який служить основним джерелом енергії Сонця і більшості зірок.).

Характеристики фундаментальних взаємодій

Про інтенсивність взаємодій можна судити за швидкістю процесів, які вони викликають. Зазвичай порівнюють між собою швидкості процесівпри енергії 1 ГеВ, притаманних фізики елементарних частинок. При таких енергіях процес, зумовлений сильною взаємодією,

відбувається за час 10-24 с, електромагнітний процес за час 10-21 с, характерний час процесів, що відбуваються за рахунок слабкої взаємодії, набагато більше: 10-10 с.