Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Елементарними називають частинки, що входять до складу перш «неподільного» атома. Першими були виявлені електрон, протон, нейтрон і фотон - квант електромагнітного поля. з пер
вих трьох будували речовина, а фотон здійснював взаємодію між ними. Вважали, що вони ні на що далі не можуть бути розкладені і тому є «первинними цеглинками» світобудови. Потім виявилося, що ці елементарні частинки мають внутрішню структуру і можуть один в одного перетворюватися. Після другої світової війни завдяки потужній техніці було відкрито ще багато частинок, які претендують на «елементарність». У кожної частинки, крім фотона, виявилася ще й античастинка. Зараз елементарних частинок вже більше трьохсот. До них відносять і ті частинки, які отримують на потужних циклотронах, синхротронах і інших прискорювачах. Є елементарні частинки, що виникають при проходженні через атмосферу космічних променів, вони існують кілька мільйонних часток секунди, потім розпадаються, видозмінюються, перетворюючись в інші елементарні частинки, або випускають енергію в формі випромінювання.
Сучасна наука виявила єдність на найглибшому рівні: спостережуване речовина складається з фотонів, лептонів (електрони, мюони, нейтрино) і кварків. Крім переносяться фотонами електромагнітних взаємодій існують сильні ядерні взаємодії, що зв'язують кварки в баріони (протони, нейтрони та ін.) І мезони. Слабкі ядерні взаємодії відповідальні за розпад нейтронів, наприклад. Всі вони описуються єдиної нелінійної теорією, узагальнюючої рівняння Максвелла. Таке узагальнення було зроблено в 1954 р Ч.Янг і Р. Миллсом, і інші узагальнення називаються також теорією Янга - Міллса. Раніше подібні теорії висували Г. Мі і М. Борн, А. Ейнштейн і Я. І.Френкель. Хоча проблема елементарних частинок пов'язана з самими основами науки, їх вивчення ведеться в деякому відриві від інших областей фізики.
Основними характеристиками елементарних частинок є маса, електричний заряд, спін, середній час життя, магнітний момент, просторова парність, баріонів заряд і квантові числа.
Електричний заряд змінюється від нуля до «+» або «-». Кожній частинці, крім фотона, нейтрино і двох мезонів, відповідає частка з протилежним зарядом, або античастинка. У 1963 р
була висловлена гіпотеза про існування частинок з дробовим зарядом - кварків.
Спін - одна з найважливіших характеристик елементарних частинок. Вона визначається власним моментом імпульсу частинки. Спін фотона дорівнює 1; це означає, що частка прийме той же вид після повного обороту на 360 °. Частка зі спіном - 1/2 прийме колишній вигляд при обороті, в 2 рази більше, т. Е. В 720 °. Спін протона, нейтрона і електрона - 1/2. Існують частинки зі спіном 3/2, 5/2 і т.д. Частка зі спіном, рівним нулю, однаково виглядає при будь-якому куті повороту. Залежно від значення спина все частки ділять на дві групи:
ферміони (назва дано на честь Енріко Фермі) - з напівцілим (1/2, 3/3.) спинами. Ферміони складають речовина і, в свою чергу, діляться на два класи - лептони (від грец. Leptos - легкий) і кварки. Кварки входять до складу протонів, нейтронів і інших подібних їм частинок, які називаються в сукупності адрону-ми (від грец. Adros - сильний). Заряджені лептони можуть так само, як і електрони, обертатися навколо ядер, утворюючи атоми. Лептони, що не мають заряду, можуть, як і нейтрино, проходити крізь всю Землю, ні з чим не взаємодіючи. У кожної частинки є і античастинка, що відрізняється тільки зарядом;
бозони (названі на честь індійського вченого Шатьендраната Бозе, одного з творців квантової статистики) - це частинки з цілими спинами (0, 1, 2), бозони переносять взаємодію.
Між частинками існують чотири типи взаємодій, кожне з яких переноситься своїм типом бозонів: фотон, квант світла - електромагнітні взаємодії, гравітон - сили тяжіння, що діють між будь-якими тілами, що мають масу. Вісім глюонів переносять сильні ядерні взаємодії, що зв'язують кварки. Проміжні векторні бозони переносять слабкі взаємодії, відповідальні за деякі розпади частинок. Вважається, що до цих чотирьох взаємодій зводяться всі сили в природі. Одним з найяскравіших досягнень нашого століття стало доказ того, що при дуже високих температурах (або енергіях) всі чотири взаємодії зливаються в одне.
При енергії 100 ГеВ (10 9 еВ) об'єднуються електромагнітне і слабке взаємодії. Така енергія відповідає температурі Всесвіту через 10 -10 с після Великого Вибуху, і в 4 трильйони разів вище кімнатної. Це відкриття дозволило припустити, що при енергії близько 10 15 ГеВ можна досягти об'єднання з ними сильних взаємодій, як це стверджується в Теоріях Великого Об'єднання (ТВО), а при енергії 10 19 ГеВ до взаємодій ТВО приєднається і гравітаційна взаємодія, «утворюючи» ТВС ( теорію Всього Сущого).
Прискорювачів, на яких можна отримати такі енергії і перевірити ці теорії, поки немає і не передбачається, тому обра-
щаются до Всесвіту, щоб знайти в ній можливі обмеження для величезного числа елементарних частинок. В останні тридцять років між фізикою елементарних частинок і космологією існує тісний зв'язок. Сукупність астрофізичних даних можна розглядати як «експериментальний матеріал», накопичений в результаті роботи Всесвіту - гігантського прискорювача частинок. Ми можемо мати справу тільки з непрямими наслідками відбувалися і відбуваються, з усередненим по всьому Всесвіті результатом їх впливу на еволюцію матерії.
Серед лептонів найбільш відомий електрон, ймовірно, він не складається з інших частинок, т. Е. Елементарний. Інший лептон - нейтрино. Це найпоширеніший лептон у Всесвіті і в той же час самий невловимий. Нейтрино не бере ні в сильному, ні в електромагнітному взаємодіях. Після передбачення нейтрино було виявлено тільки через 30 років на прискорювачах. Нейтрино буває трьох видів - електронне, мюонне і тау-нейтрино. Мюон - теж широко поширений в природі лептон. Він був виявлений в космічних променях в 1936 р .; це нестабільна частинка, а в іншому він схожий на електрон. За дві мільйонні частки секунди він розпадається на електрон і два нейтрино. Фонове космічне випромінювання в більшій частині складається з мюонів. В кінці 70-х рр. був виявлений третій заряджений лептон (крім електрона і мюона) - тау-лептон. Він веде себе дуже схоже на своїх побратимів, але важче електрона в 3500 разів. У кожного лептона є і античастинка, тобто всього їх 12.
Адронів існує дуже багато, їх сотні. Тому часто їх вважають не елементарними частинками, а складеними з інших. Вони бувають електрично зарядженими і нейтральними. Всі адрони беруть участь в сильному, слабкому і гравітаційному взаємодіях. Серед них найвідоміші - протон і нейтрон. Решта живуть дуже мало, розпадаючись за 10 -6 с за рахунок слабкої взаємодії або за 10 -23 с - за рахунок сильного. Адрони розсортували по масі, заряду і спину. У цьому допомогла гіпотеза кварків, або часток, що складають адрони.
Кварки можуть з'єднуватися для цього трійками, складаючи баріони, або парами: кварк-антікварк, складаючи мезони (проміжні частки). Кварки мають заряд 1/3 або 2/3 заряду електрона. Тоді в комбінації вони дадуть 0 або 1. Всі кварки мають спін, рівний 1/2, тобто вони відносяться до ферміонами. Вважають, що вони зчіплюються сильною взаємодією, але беруть участь і в слабкому. Особливості сильного взаємодії характеризують типами ( «ароматами») - «верхній», «нижній», «дивний». Але слабка взаємодія може поміняти «аромат» кварка. Наприклад, при розпаді нейтрона один з «нижніх» кварків стає «верхнім», а надлишок заряду забирає народжується електрон. Так що сильна взаємодія не може змінювати «аромат», а без зміни «аромату» кварка неможливий розпад адрону.
Новий Адрон, названий -часткою, був виявлений на прискорювачах (1974). Тому відповідно до теорії кварків ввели ще одну характеристику, четвертий «аромат», так з'явився «зачарований» кварк. Так що -частинка - це приблизно мезон, що складається з з-кварка і з-антікварка. Зараз виявлено вже багато «зачарованих» частинок, і все
вони важкі. А в 1977 р з'явився мезон, і вся історія повторилася, п'ятий аромат отримав назву «чарівний». Так розвивається нині атомистика. Зараз вважають, що існують 12 кварків - фундаментальних частинок і стільки ж античастинок. Шість частинок - це кварки з екзотичними іменами «верхній», «нижній», «зачарований», «дивний», «істинний», «чарівний». Вони є породженням теорії, яка прагне до упорядкованості і красі, і відкриті всі, за винятком «істинного». Решта шість - лептони: електрон, мюон, -частинка і відповідні їм нейтрино (електронне, мюонне, нейтрино).
Ці 12 частинок, або дві по шість, групують в три покоління, кожне з яких складається з чотирьох членів. У першому поколінні - «верхній» і «нижній» кварки, електрон і електронне нейтрино, у другому - «зачарований» і «дивний» кварки, мюон і мюонне нейтрино, в третьому - «істинний» і «чарівний» кварки і -частинка зі своїм нейтрино. Все звичайне речовина складається з частинок першого покоління. Протон, наприклад, складається з двох «верхніх» кварків і одного «нижнього», нейтрон - з двох «нижніх» і одного «верхнього». Кожен атом складається з важкого ядра (сильно пов'язаних протонів і нейтронів), оточеного електронним хмарою.
Але чому існують інші покоління частинок і скільки їх ще може бути? На думку японських фізиків М. Кобаясі і Т. Маськава, асиметрія між речовиною і антиречовиною вимагає наявності трьох поколінь. Якщо ж число поколінь не обмежена, чи є кварки і лептони основними «цеглинками природи» і наскільки вони фундаментальні? Останні дані, отримані на різних прискорювачах, дозволяють вважати, що число поколінь не може бути більше п'яти, так як повне число нейтрино не перевищує цього числа. Відповіді на ці питання шукають в сучасній космології, в моделях первинного нуклеосинтеза, який породив ті чи інші частинки, частина яких може бути встановлена за поширеністю того чи іншого елемента у Всесвіті. Ці дослідження дають людині можливість доторкнутися до таємниці світобудови, знайти ті «цеглинки», з яких побудовано все в світі, а за ними стоять і нові технології.
Питання для самоперевірки та повторення
1. Які частинки складають ядро атома, які його розміри? Як це було встановлено?
2. Поясніть поняття елементарної частинки, як класифікуються елементарні частинки і як вони досліджуються. Що таке «античастинки»? У чому полягає гіпотеза кварків? Які проблеми стоять в теорії елементарних частинок?
3. В чому полягає єдність дискретності і безперервності? Охарактеризуйте проблему пошуку «первинних об'єктів» і концепцію атомізму. Що таке «квазічастинки»?
4. Яка специфіка мікросвіту в порівнянні з вивченням мега- і макросвіту. Поясніть принципи відповідності та додатковості.
5. Поясніть принцип невизначеності, поняття детермінізму і індетермінізму. Як змінилися уявлення про випадковий і закономірний? Поясніть роль приладу в квантовій механіці.
6. Як розвинулися уявлення про причинності в квантовій механіці? Чому обмеження впливу на мікрорівні має сенс фундаментального закону природи?
7. Якими параметрами описується стан мікрочастинки? Як при цьому здійснюється синтез хвильових і корпускулярних властивостей? Яка відмінність в описі стану в класичній і квантовій механіці?
8. Яке рівняння описує рух в мікросвіті і відповідає другому закону Ньютона? Який сенс мають входять до нього величини?
9. Які моделі описують будову і властивості атомних ядер? Чому важкі елементи не розпадаються мимовільно на легкі? Які реакції поділу можливі і які для цього необхідні умови?
10. Поясніть, чому визначається стійкість атомних ядер. Що таке
«Дефект маси» і як відбуваються реакції в надрах зірок?
КОНЦЕПЦІЇ БУДІВЛІ ВЕЩЕСТВА (ВІД мікросвіту До макросвіту)