Слово атом означает «неделимый». Оно было введено греческими философами для обозначения мельчайших частиц, из которых, согласно их представлению, состоит материя.

Физики и химики девятнадцатого века приняли этот термин для обозначения самых мелких известных им частиц. Хотя мы уже давно в состоянии «расщепить» атомы и неделимое перестало быть неделимым, тем не менее термин этот сохранился. Согласно нынешнему нашему представлению, атом состоит из мельчайших частиц, называемых нами элементарными частицами . Существуют также и другие элементарные частицы, не являющиеся фактически составной частью атомов. Обычно их получают при помощи мощных циклотронов, синхротронов и других ускорителей частиц, специально сконструированных для изучения этих частиц. Они также возникают при прохождении космических лучей через атмосферу. Эти элементарные частицы распадаются спустя несколько миллионных долей секунды, а часто за еще более короткий промежуток времени после своего появления. В результате распада они либо видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, либо выделяют энергию в форме излучения.

Изучение элементарных частиц сосредоточивается на все возрастающем числе недолго живущих элементарных частицах. Хотя эта проблема имеет огромное значение, в частности, потому, что связана с самыми фундаментальными законами физики, тем не менее исследование частиц в настоящее время проводится почти в отрыве от других отраслей физики. По этой причине мы ограничимся рассмотрением лишь тех частиц, которые являются постоянными компонентами наиболее распространенных материалов, а также некоторых частиц, очень близко к ним примыкающих. Первой из элементарных частиц, открытых в конце девятнадцатого века, был электрон, ставший затем исключительно полезным слугой. В радиолампах поток электронов движется в вакууме; и именно посредством регулировки этого потока усиливаются входящие радиосигналы и превращаются в звук или шум. В телевизоре электронный луч служит в качестве пера, которое мгновенно и точно копирует на экране приемника то, что видит камера передатчика. В обоих этих случаях электроны движутся в вакууме так, чтобы по возможности ничто не мешало их движению. Еще одним полезным свойством является их способность, проходя через газ, заставлять его светиться. Таким образом, давая возможность электронам проходить через стеклянную трубку, наполненную газом под определенным давлением, мы используем это явление для получения неонового света, применяемого ночью для освещения крупных городов. А вот еще одна встреча с электронами: блеснула молния, и мириады электронов, пробиваясь через толщу воздуха, создают раскатистый звук грома.

Однако в земных условиях имеется сравнительно небольшое число электронов, могущих свободно двигаться, как это мы видели в предыдущих примерах. Большинство из них надежно связаны в атомах. Поскольку ядро атома заряжено положительно, оно притягивает к себе отрицательно заряженные электроны, заставляя их удерживаться на орбитах, находящихся сравнительно близко от ядра. Атом обычно состоит из ядра и некоторого числа электронов. Если электрон покидает атом, его, как правило, немедленно замещает другой электрон, который атомное ядро с большой силой притягивает к себе из своего ближайшего окружения.

Как же выглядит этот замечательный электрон? Никто его не видел и никогда не увидит; и тем не менее мы знаем его свойства настолько хорошо, что можем предсказать со всеми подробностями, как он будет вести себя в самых различных ситуациях. Мы знаем его массу (его «вес») и его электрический заряд. Мы знаем, что чаще всего он ведет себя так, как будто бы перед нами очень мелкая частица , в других же случаях он обнаруживает свойства волны . Исключительно абстрактная, но в то же самое время очень точная теория электрона была предложена в законченном виде несколько десятилетий тому назад английским физиком Дираком. Эта теория дает нам возможность определить, при каких обстоятельствах электрон будет, больше сходен с частицей, а при каких будет преобладать его волновой характер. Такая двойственная природа - частица и волна - затрудняет возможность дать четкую картину электрона; следовательно, теория, учитывающая обе эти концепции и тем не менее дающая законченное описание электрона, должна быть очень абстрактной. Но было бы неразумным ограничивать описание такого замечательного явления, как электрон, столь земными образами, как горошины и волны.

Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон, за исключением лишь того, что заряжена она положительно, а не отрицательно. И действительно, такой двойник электрона был обнаружен и назван позитроном . Он входит в состав космических лучей, а также возникает в результате распада некоторых радиоактивных веществ. В земных условиях жизнь позитрона коротка. Как только он оказывается по соседству с электроном, а случается это во всех веществах, электрон и позитрон «истребляют» друг друга; положительный электрический заряд позитрона нейтрализует отрицательный заряд электрона. Поскольку согласно теории относительности масса является формой энергии и поскольку энергия «неразрушима», энергия, представленная объединенными массами электрона и позитрона, должна быть каким-то образом сохранена. Эту задачу выполняет фотон (квант света), или обычно два фотона, которые излучаются в результате этого рокового столкновения; их энергия равна суммарной энергии электрона и позитрона.

Мы знаем также, что происходит и обратный процесс, Фотон может при определенных условиях, например, пролетая поблизости от ядра атома, сотворить «из ничего» электрон и позитрон. Для такого сотворения он должен обладать энергией, по меньшей мере равной энергии, соответствующей суммарной массе электрона и позитрона.

Стало быть, элементарные частицы не являются вечными или постоянными. И электроны и позитроны могут появляться и исчезать; однако энергия и результирующие электрические заряды сохраняются.

Исключая электрон, элементарной частицей, известной нам гораздо раньше любой другой частицы, является не позитрон, встречающийся сравнительно редко, а протон - ядро атома водорода. Как и позитрон, заряжен он положительно, но масса его примерно в две тысячи раз превосходит массу позитрона или электрона. Подобно этим частицам, протон иногда проявляем волновые свойства, однако лишь в исключительно особых условиях. То, что его волновая природа менее ярко выражена, фактически является прямым следствием обладания им гораздо большей массой. Волновая природа, характерная для всей материи, не приобретает для нас важного значения до тех пор, пока мы не начинаем работать с исключительно легкими частицами, такими, как электроны.

Протон - очень распространенная частица, Атом водорода состоит из протона, являющегося его ядром, и электрона, вращающегося вокруг него по орбите. Протон входит также в состав всех других атомных ядер.

Физики-теоретики предсказывали, что у протона, подобно электрону, имеется античастица. Открытие отрицательного протона или антипротона , обладающего теми же самыми свойствами, что и протон, но заряженного отрицательно, подтвердило это предсказание. Столкновение антипротона с протоном «истребляет» их обоих так же, как и в случае столкновения электрона и позитрона.

Другая элементарная частица, нейтрон , обладает почти такой же массой, как и протон, но электрически нейтральна (без электрического заряда вообще). Ее открытие в тридцатых годах нашего века - примерно одновременно с открытием позитрона - явилось исключительно важным для ядерной физики. Нейтрон входит в состав всех атомных ядер (за исключением, разумеется, обычного ядра атома водорода, который является просто свободным протоном); разрушаясь, атомное ядро выделяет один (или более) нейтрон. Взрыв атомной бомбы происходит благодаря нейтронам, высвобождающимся из ядер урана или плутония.

Поскольку протоны и нейтроны вместе образуют атомные ядра, и те и другие называются нуклонами, Спустя некоторое время свободный нейтрон превращается в протон и электрон.

Нам знакома еще одна частица, называемая антинейтроном , которая, подобно нейтрону, электрически нейтральна. Она обладает многими свойствами нейтрона, однако одно из коренных отличий заключается в том, что антинейтрон распадается на антипротон и электрон. Сталкиваясь, нейтрон и антинейтрон уничтожают друг друга,

Фотон , или световой квант, исключительно интересная элементарная частица. Желая почитать книгу, мы включаем электрическую лампочку. Так вот, включенная лампочка генерирует огромное количество фотонов, которые устремляются к книге, так же как и во все другие уголки комнаты, со скоростью света. Некоторые из них, ударяясь о стены, тут же погибают, другие вновь и вновь ударяются и отскакивают от стенок других предметов, однако спустя менее чем одну миллионную долю секунды с момента появления все они погибают, за исключением лишь немногих, которым удается вырваться через окно и ускользнуть в пространство. Энергия, необходимая для генерирования фотонов, поставляется электронами, протекающими через включенную лампочку; погибая, фотоны отдают эту энергию книге или другому предмету, нагревая его, или глазу, вызывая стимуляцию зрительных нервов.

Энергия фотона, а следовательно, и его масса не -остаются неизменными: существуют очень легкие фотоны наряду с очень тяжелыми. Фотоны, дающие обычный свет, очень легки, их масса составляет всего лишь несколько миллионных долей массы электрона. Другие фотоны обладают массой примерно такой же, как масса электрона, и даже гораздо большей. Примерами тяжелых фотонов являются рентгеновские и гамма-лучи.

Вот общее правило: чем легче элементарная частица, тем выразительнее ее волновая природа. Самые тяжелые элементарные частицы - протоны - выявляют сравнительно слабые волновые характеристики; несколько сильнее они у электронов; самые сильные - у фотонов. В самом деле, волновая природа света была открыта намного раньше, чем его корпускулярные характеристики. Мы знали, что свет есть не что иное, как движение электромагнитных волн, с тех пор как Максвелл Продемонстрировал это на протяжении второй половины прошлого века, но именно Планк и Эйнштейн на заре двадцатого века открыли, что свет имеет и корпускулярные характеристики, что он иногда излучается в виде отдельных «квантов», или, другими словами, в виде потока фотонов. Не приходится отрицать, что трудно объединить и слить воедино в нашем сознании эти две явно несхожие концепции природы света; но мы можем сказать, что подобно «двойственной природе» электрона наше представление о таком неуловимом явлении, каковым является свет, должно быть очень абстрактным. И только когда мы хотим выразить наше представление в грубых образах, мы должны иногда уподоблять свет потоку частиц, фотонов, или же волновому движению электромагнитной природы.

Существует зависимость между корпускулярной природой явления и его «волновыми» свойствами. Чем тяжелее частица, тем короче соответствующая ей длина волны; чем длиннее длина волны, тем легче соответствующая частица. Рентгеновские лучи, состоящие из очень тяжелых фотонов, имеют соответственно очень короткую длину волны. Красный свет, характеризующийся большей длиной волны по сравнению с синим светом, состоит из фотонов более легких по сравнению с фотонами, несущими синий свет. Самые длинные электромагнитные волны из всех существующих - радиоволны - состоят из мельчайших фотонов. Эти волны ни малейшим образом не проявляют свойств частиц, их волновая природа является целиком преобладающей характеристикой.

И наконец, самой мелкой из всех малых элементарных частиц является нейтрино . Оно лишено электрического заряда, и если у него и есть какая-либо масса, то она близка к нулю. С некоторым преувеличением мы можем сказать, что нейтрино просто лишено свойств.

Наше познание элементарных частиц является современной границей физики. Атом был открыт в девятнадцатом веке, и ученые того времени обнаружили все возрастающее число различных видов атомов; подобным же образом сегодня мы находим все больше и больше элементарных частиц. И хотя было доказано, что атомы состоят из элементарных частиц, мы не можем ожидать, что по аналогии будет, найдено, что- элементарные частицы состоят из еще более мелких частиц. Проблема, стоящая перед нами сегодня, совсем иная, и нет ни малейших признаков, указывающих на то, что мы сможем расщепить элементарные частицы. Скорее следует надеяться на то, что будет показана, что все элементарные частицы являются проявлением одного еще более фундаментального явления. И если это оказалось бы возможным установить, мы бы сумели понять все свойства элементарных частиц; смогли бы подсчитать их массы и способы их взаимодействия. Было сделано много попыток подойти к разрешению этой проблемы, являющейся одной из самых важных проблем физики.

Элементарные частицы

Естественно начать рассмотрение структуры материи с самых «мелких» структурных единиц, существование которых в настоя­щее время установлено. Такие частицы получили название эле­ментарных, как более неделимых (их структура не обнару­живается), и как фундаментальных, из которых состоит материя.

Классификация элементарных частиц. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, составляют семейство адронов. Это барионы (протон р , нейтрон n ), гипероны (λ, Σ и др.), мезоны (π-; k -), а также большая группа так называемых резонансных частиц (резонансов). Барионы обладают полуцельми спинами, мезоны - целыми. Барионы отличаются от мезонов так называемым барионным зарядом, в связи с чем превращения барионов в мезоны запрещены законом сохранения барионного заряда. Это важное свойство, которое обеспечивает стабильность ядер и, следовательно, всего окружающего мира. Действительно, если бы являющиеся барионами нуклоны (протон и нейтрон) могли превращаться в мезоны, то атомные ядра в итоге распались бы. Адроны не являются истинно элементарными частицами, т. е. имеют внутреннюю структуру. Этим объясняется в частности нестабильность большинства из адронов.

На сегодня можно считать доказанным существование истин­но фундаментальных бесструктурных частиц, образующих адроны. Эти частицы называются кварками (Гелл-Манн. Цвейг, 1963). Они пока экспериментально не обнаружены, предположительно потоки, что не существуют по отдельности, т. е. в свободном состоянии. Известно, что заряд кварков кратен 1/3е , а спин равен 1/2. Предполагается существование шести типов кварков, различающихся по характеристике, называемой «ароматом» (верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелест­ный); каждый кварк характеризуется еще и определенным кван­товым числом - «цветом» (красный, зеленый, голубой). Все барионы состоят из трех кварков (протон, например из двух верхних с зарядами +2/Зе и одного нижнего с зарядом - 1/Зе ). По «цвету» тройка кварков «подбирается» так, чтобы протон был «белым». Мезоны состоят из кварка и антикварка.

Все остальные частицы (кроме фотона), не участвующие в сильных взаимодействиях, названы лептонами. Семейство лептонов представлено шестью бесструктурными («точечными») части­цами: электрон е , мюон μ, тау-лептон (таон) τ и соответствующие этим частицам нейтрино (v e , v μ , v τ).

Согласно принципу кварк-лептон ной симметрии каждому лептону соответствует определенный кварк (табл. 5.2).

Таблица 5.2.

Таким образом, кварки и лептоны на сегодняшний день на­ряду с частицами-переносчиками взаимодействий считаются ис­тинно элементарными (фундаментальными) частицами. Из лептонов и кварков первого поколения вместе с фотонами построена современная Вселенная. Полагают, что частицы второго и треть­его поколений играли важную роль в ранней Вселенной, в пер­вые мгновения Большого Взрыва, при этом различия между кварками и лептонами не существовало.

Основные характеристики элементарных частиц . Одной из важ­нейших характеристик элементарных частиц является стабиль­ность, т. е. способность определенное время (время жизни) находиться в свободном состоянии. Среди экспериментально об­наруженных частиц лишь немногие стабильны. Неограниченно долго в свободном состоянии могут существовать протон, электрон, фотон и, как считается, нейтрино всех типов. Все другие частицы, стремясь перейти в состояние с минимальной энергией, более или менее быстро распадаются, достигая конечного устойчивого состояния. Самое короткое время жизни (~10 -23 с) у резонансных частиц. Нейтрон в свободном состоянии существует ~10 3 с. В семействе лептонов мюон «живет» ~10-6 с, таон ~10 -12 с.

Предполагается, что в Природе короткоживущие элементар­ные частицы играют определяющую роль в экстремальных условиях, например, подобных начальным стадиям образования Вселенной.

Массы покоя стабильных элементарных частиц имеют следующие значения: протона m p ≈ 1,67 · 10 -27 кг, электрона m е ≈ 0,91 · 10 -30 кг. У фотона и всех типов нейтрино масса покоя равна нулю.

Как правило, массы элементарных частиц выражаются в энер­гетических единицах - электрон-вольтах. Тогда m р ≈938,3×10 6 эВ =938,3 МэВ, m е ≈ 0,51 МэВ.

Элементарные частицы обладают электрическим зарядом +е или -е или являются электрически нейтральными.

Заряд электрона е равен - 1,6 · 10 -19 Кл.

Одна из важнейших характеристик элементарных частиц - спин. Значение спина определяет вид волновой функции (симмет­ричная или антисимметричная) и вид статистики (т.е. закона, которым описывается поведение коллектива микрочастиц). Час­тицы с нулевым или целочисленным спином (фотоны, π-мезоны и др.) подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами. Частицы с полуцелым спином (электроны, протоны, нейтроны) подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами. Фундаментальными фермионами являются лептоны к кварки. Фермионы подчиняются принципу Паули, согласно ко­торому в любой системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоя­нии. Применительно к распределению электронов в атоме прин­цип Паули утверждает; что в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел n, l, m и σ .

Принцип Паули основан на неразличимости одинаковых кван­товых частиц. При перестановке двух фермионов волновая функ­ция должна изменить свой знак. Однако, если состояния двух фермионов (т. е. их наборы квантовых чисел) одинаковы, то ψ-функция не должна менять знака. Это противоречие формаль­но устраняется только при ψ=0, что означает невозможность (нулевую вероятность) нахождения частицы в таком состоянии.

Античастицы. Для каждой известной элементарной частицы существует так называемая античастица. Массы, времена жизни и спин частицы и античастицы одинаковы. Остальные характерис­тики, например, электрический заряд, магнитный момент - рав­ны по модулю, но противоположны по знаку. Такими парами являются, например, протон р и антипротон , электрон - и антиэлектрон е + (т.е. позитрон е +). Некоторые частицы, напри­мер, фотон, тождественны своим античастицам.

Античастицы рождаются в ядерных реакциях при достаточно больших энергиях, но в веществе время жизни их мало. При встрече частицы и античастицы происходит аннигиляция. Масса и кинетическая энергия пары «частицы-античастицы» превраща­ются в энергию фотонов или других частиц. Например, при аннигиляции электрона и позитрона выделяется два фотона:

е - + е + → 2γ.

В свою очередь, фотоны могут превращаться в электронно- позитронные пары. В подобных реакциях ярко проявляется отсутствие четкой грани между полем и веществом, характерной для классической картины мира.

Атомные ядра

Следующим в рассматриваемой иерархии объектов Природы является атомное ядро. Ядро представляет собой связанную сис­тему из адронов двух типов - протонов и нейтронов, которые объединяют в этом случае общим наименованием «нуклоны». Протон есть ядро простейшего атома - атома водорода. Он имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон электрически нейтрален. Масса нейтрона m n =1,6750·10 -27 кг. Число протонов -в ядре атома называется атомным номером (Z ), а общее число нуклонов - массовым числом (А ). Заряд ядра положителен и равен Z · е . Большинство атомных ядер представлены группами изотопов. Заряд Z в каждой группе изотопов постоянен, а количество нейтронов различно. Различают стабильные, долгоживущие и радиоактивные изотопы. Причины радиоактивной нестабильности связаны с недостатком или избытком нейтронов внутри ядра.

Размер ядра условно характеризуется радиусом R ядра. Радиус возрастает с увеличением числа нуклонов в соответствии с фор­мулой , где R 0 = (1,3 …, 1,7) · 10 -15 м. Плотность «упаковки» нуклонов в ядре очень велика и составляет ~10 44 нуклонов/м 3 или 10 17 кг/м 3 .

Как уже отмечалось, стабильность ядра объясняется наличием сильного взаимодействия или ядерных сил притяжения сил притяжения. Энергия, которая необходима для удержания нуклонов в ядре, в соответст­вии с законом сохранения энергии определяется работой, кото­рую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие нуклоны. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связь проявляется как уменьшение массы ядра при его образова­нии по сравнению с суммарной массой составляющих ядро нук­лонов:

Величина Δm носит название дефекта массы. Энергия связи определяется как

Обычно ядро характеризуют удельной энергией связи, т. е. энергией, приходящейся на один нуклон. На рис. 5.3 приведена зависимость удельной энергии связи от массового числа А , характеризующая прочность связей нуклонов в ядрах различных хими­ческих элементов. Как следует из графика, наиболее прочными являются связи ядер элементов с массовыми числами (28 ... 138). По мере увеличения А энергия связи убывает. Понижение проч­ности ядер объясняется тем, что в легких ядрах связи нуклонов не насыщены, а в тяжелых ядрах начинает сказываться кулоновское отталкивание протонов друг от друга.

Из рис. 5.3 также видно, что процессы образования более ста­бильных ядер (т. е. характеризующихся большими значениями ΔЕ СВ сопровождаются выделением энергии. Таким образом, реак­ция слияния легких ядер с образованием более тяжелых (стрелка 1 на. рис. 5.3) и реакции деления тяжелых ядер (стрелка 2 на рис. 5.3) перспективны с точки зрения энергетики.

Подробно этот вопрос обсужден во второй части курса.

Ядерные реакции. Радиоактивность . Ядерными реакциями называются процессы, в результате которых из ядер одних элемен­тов получаются ядра других элементов. Эти процессы могут происходить как в результате внешних воздействий (например, «столкновения ядра с другими частицами), так и самопроизвольно, спонтанно (радиоактивный расти).

Ядерные реакции записываются подобно химическим. Напри­мер, в результате реакции деления ядра урана при столкновении с нейтроном образуются ядра цезия и рубидия и два нейтрона:

Облучение ядра нейтронами наиболее часто используется для осуществления ядерных реакций. Дело в том, что электрически нейтральный нейтрон не испытывает кулоновского отталкивания протонов ядра и легко в него проникает. Под действием высоко­энергетического (>100 МэВ) нейтронного облучения делятся все ядра.

Выделяющиеся в реакциях распада нейтроны могут вызвать деление других ядер, благодаря чему возникает цепная реакция - лавинообразный процесс, например, взрыв атомной бомбы. Часть нейтронов можно удалить из делящегося вещества, тогда реак­цией деления можно управлять. Поглощение нейтронов в графи­товых стержнях используется в атомных реакторах.

Самопроизвольный распад ядер с испусканием различных час­тиц называется радиоактивностью. В любом радиоактивном рас­паде масса исходного ядра превышает единицу масс продуктов распила, т.е. выделяется энергия. Естественная радиоактивность была открыта А. Бсккерелем (1896 г.), а искусственная - суп­ругами Жолио-Кюри (1936 г.). Основными типами радиоактив­ности является альфа-, бета- и гамма-распады.

Альфа-распад заключается в самопроизвольном испускании ядром ci-частицы (т. е. ядра гелия ). Альфа-распад наблюда­ется только у тяжелых ядер с Z ≥ 82.

При бета-распаде ядро испускает электрон и электронное антинейтрино (или позитрон и электронное нейтрино):

Бета-распад обусловлен превращением нуклонов, вызываемых слабым взаимодействием, например в первой из записанных реакции происходит превращение нейтрона по схеме

Гамма-распад состоит в испускании ядром фотонов с высокой энергией (γ-квантов). Ядро, являясь квантовой системой, может находиться в состояниях с различной энергией. При переходах из возбужденных энергетических состояний в основные, невозбужденные, ядра испускают γ-кванты. При этом ни массовое число Л, ни атомный номер ядра Z не изменяются.

– материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части. В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные части – атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро – на нуклоны. В то же время нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц – кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят к элементарным частицам. Учитывая то обстоятельство, что нуклон и другие адроны имеют сложную внутреннюю структуру, состоящую из более фундаментальных частиц – кварков, более целесообразно адроны называть не элементарными частицами, а просто частицами.
Частицы имеют размеры меньшие, чем атомные ядра. Размеры ядер 10 -13 − 10 -12 см. Наиболее “крупные” частицы (к ним относятся и нуклоны) состоят из кварков (двух или трёх) и называются адронами. Их размеры ≈ 10 -13 см. Существуют также бесструктурные (на современном уровне знаний) точечноподобные (< 10 -17 см) частицы, которые называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие. Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.

Таблица 1

Фундаментальные фермионы
Взаимодействия				Поколения			Заряд Q/e
			лептоны	ν е	ν μ	ν τ
				e	μ	τ
			кварки		c	t	+2/3
					s	b	-1/3

Фундаментальными частицами являются 6 кварков и 6 лептонов (табл. 1), имеющих спин 1/2 (это фундаментальные фермионы) и несколько частиц со спином 1 (глюон, фотон, бозоны W ± и Z), а также гравитон (спин 2), называемые фундаментальными бозонами (табл. 2). Фундаментальные фермионы делятся на три группы (поколения), в каждой из которых 2 кварка и 2 лептона. Из частиц первого поколения (кварки u, d, электрон е −) состоит вся наблюдаемая материя: из кварков u и d состоят нуклоны, из нуклонов состоят ядра. Ядра с электронами на орбитах образуют атомы и т.д.

Таблица 2

Фундаментальные взаимодействия
Взаимодействие	Квант поля	Радиус, см	Константа взаимодействия (порядок величины)	Пример проявления
сильное	глюон	10 -13	1	ядро, адроны
электромагнитное	γ-квант		10 -2	атом
слабое	W ± , Z	10 -16	10 -6	γ-распад
гравитационное	гравитон	∞	10 -38	сила тяжести

Роль фундаментальных бозонов в том, что они реализуют взаимодействие между частицами, являясь “переносчиками” взаимодействий. В процессе различных взаимодействий частицы обмениваются фундаментальными бозонами. Частицы участвуют в четырёх фундаментальных взаимодействиях – сильном (1), электромагнитном (10 -2), слабом (10 -6) и гравитационном (10 -38). В скобках указаны цифры, характеризующие относительную силу каждого взаимодействия в области энергий меньше 1 ГэВ. Кварки (и адроны) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон (8 типов), электромагнитного – фотон, слабого – бозоны W ± и Z, гравитационного – гравитон.
Подавляющее число частиц в свободном состоянии нестабильно, т.е. распадается. Характерные времена жизни частиц 10 -24 –10 -6 сек. Время жизни свободного нейтрона около 900 сек. Электрон, фотон, электронное нейтрино и возможно протон (и их античастицы) – стабильны.
Основой теоретического описания частиц является квантовая теория поля. Для описания электромагнитных взаимодействий используется квантовая электродинамика (КЭД), слабое и электромагнитное взаимодействие совместно описываются объединённой теорией – электрослабой моделью (ЭСМ), сильное взаимодействие – квантовой хромодинамикой (КХД). КХД и ЭСМ, совместно описывающие сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, образуют теоретическую схему, называемую Стандартной Моделью.

Мало кто не знает такого понятия как «электрон», а ведь именно он и означает «элементарная частица». Конечно, большинство людей слабо представляют, что это и зачем оно нужно. По телевизору, в книгах, в газетах и журналах эти частицы изображаются в виде маленьких точек или шариков. Из-за этого непросвещенные люди считают, что форма частиц и в самом деле шарообразна, и что они свободно летают, взаимодействуют, сталкиваются и т.д. Но такое суждение в корне неверно. Понятие элементарной частицы крайне сложное для осознания, но никогда не поздно постараться приобрести хотя бы весьма приблизительное представление о сущности этих частиц.

В начале прошедшего века ученые всерьез озадачились тем, почему электрон не падает на так как, согласно Ньютоновской механике, при отдаче всей своей энергии, он должен попросту упасть на ядро. К удивлению, этого не происходит. Как это объяснить?

Дело в том, что физика в своем классическом толковании и элементарная частица - вещи малосовместимые. Она не подчиняется никаким законам обычной физики, так как действует согласно принципам Основополагающим принципом при этом является неопределенность. Он говорит, что невозможно точно и одновременно определить две взаимосвязанные величины. Чем в большей мере определена первая из них, тем меньше можно определить вторую. Из этого определения следуют квантовые корреляции, корпускулярно-волновой дуализм, волновая функция и многое другое.

Первый важный фактор - это неопределенность координаты-импульса. Исходя из основ классической механики можно вспомнить, что понятия импульса и траектории тела неразделимы и всегда четко определяются. Попробуем перенести эту закономерность в микроскопический мир. К примеру, элементарная частица имеет точный импульс. Тогда при попытке определить траекторию передвижения мы столкнемся в неопределимостью координаты. Это значит, что электрон обнаруживается сразу во всех точках небольшого объема пространства. Если постараться сосредоточиться именно на траектории его движения, то импульс приобретает размытое значение.

Из этого следует, что как бы ни старались определить какую-либо конкретную величину, вторая сразу же становится неопределенной. Этот принцип заложен в основу волнового свойства частиц. Электрон не имеет четкой координаты. Можно сказать, что он одновременно расположен во всех точках пространства, которое ограничено длиной волны. Такое представление позволяет нам более четко понять, что представляет собой элементарная частица.

Примерно такая же неопределенность возникает в соотношении энергия-время. Частица постоянно взаимодействует, даже при наличии Такое взаимодействие длится на протяжении некоторого времени. Если представить, что данный показатель более-менее определен, то энергия при этом становится неопределимой. Это нарушает принятые в заложенных небольших промежутках.

Представленная закономерность порождает низкоэнергетические частицы - кванты фундаментальных полей. Такое поле представляет собой не непрерывную субстанцию. Оно состоит из мельчайших частиц. Взаимодействие между ними обеспечивается благодаря испусканию фотонов, которые поглощаются другими частицами. Это поддерживает уровень энергии и образуются стабильные элементарные частицы, которые не могут упасть на ядро.

Элементарные частицы по сути своей неразделимы, хотя отличаются друг от друга своей массой и определенными характеристиками. Поэтому были разработаны определенные классификации. К примеру, по типу взаимодействия можно выделить лептоны и адроны. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны, которые состоят из двух кварков, и барионы, в составе которых имеется три кварка. Наиболее известные барионы - это нейтроны и протоны.

Элементарные частицы и их свойства позволяют выделить еще два класса: бозоны (с целочисленным и нулевым спином), фермионы (с полуцелым спином). Каждая частица имеет свою античастицу с противоположными характеристиками. Устойчивыми являются только протоны, лептоны и нейтроны. Все другие частицы подвержены распаду и превращаются в стабильные частички.

Существование элементарных частиц ученые обнаружили при исследовании ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время эти разделы физики являются близкими, но самостоятельными, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц , имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель,1896), а также открытиями электронов (Дж. Томсон 1876) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля - фотонах (А. Эйнштейн).

В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д.Д Иваненко и В.Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон - положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами ). Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны ), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными . Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10 -6 с, нейтрального π-мезона - 0,87·10 -16 с. Многие массивные частицы - гипероны - имеют среднее время жизни порядка 10 -10 с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 -17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными . Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 -22 -10 -23 с.

Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение ) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном . Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества , ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 6.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10 -20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин ) в единицах постоянной Планка h = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.

Группа Название частицы Символ Масса (в электронных массах) Электрический заряд Спин Время жизни (с) Частица Античастица Фотоны Фотон Стабилен Лептоны Нейтрино электронное ν e 1 / 2 Стабильно Нейтрино мюонное ν μ 1 / 2 Стабильно Электрон 1 / 2 Стабилен Мю-мезон μ - μ + 206,8 1 / 2 2,2 10 -6 Адроны Мезоны Пи-мезоны π 0 264,1 0,87 10 -16 π + π - 273,1 1 -1 2,6 10 -8 К-мезоны 966,4 1 -1 1,24 10 -8 K 0 974,1 ≈ 10 -10 -10 -8 Эта-нуль-мезон η 0 1074 ≈ 10 -18 Барионы Протон 1836,1 1 -1 1 / 2 Стабилен Нейтрон 1838,6 1 / 2 Лямбда-гиперон Λ 0 2183,1 1 / 2 2,63 10 -10 Сигма-гипероны Σ + 2327,6 1 -1 1 / 2 0,8 10 -10 Σ 0 2333,6 1 / 2 7,4 10 -20 Σ - 2343,1 1 / 2 1,48 10 -10 Кси-гипероны Ξ 0 2572,8 1 / 2 2,9 10 -10 Ξ - 2585,6 1 / 2 1,64 10 -10 Омега-минус-гиперон Ω - 3273 1 / 2 0,82 10 -11

Таблица 6.9.1

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны .

К группе фотонов относится единственная частица - фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц - лептонов . В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин 1/2 .

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами . Эта группа делится на две части. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов . Наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 6.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η 0 -мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.

Вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин 1/2 .

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Манном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками . На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион - из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк-антикварк.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2/3 и 1/3 элементарного заряда.

Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц - адронов.

Фундаментальные взаимодействия . Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по энергиям и характерным временам их протекания. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре вида взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам: сильное , электромагнитное , слабое и гравитационное . Эти виды взаимодействий называют фундаментальными .

Сильное (или ядерное ) взаимодействие - наиболее интенсивное. Оно обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы - адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка 10 -15 м и менее. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное взаимодействие. В нем могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны - кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие - определяет ход наиболее медленных процессов, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона

а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10 -10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезд, планет и т. п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И.Е. Таммом и Д.Д Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия . Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами - квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π + , π - и π 0 (см. табл. 6.9.1).

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых в екторных бозонов W + , W - и Z 0 , обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие . Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом участвуют векторные бозоны.

После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействий тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой (Единой Теорией поля).

Физики-теоретики прилагают значительные усилия, чтобы рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения . Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик - гипотетическая частица, названная гравитоном . Однако эта частица до сих пор не обнаружена.

В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология - наука об эволюции Вселенной - предполагает, что Большой взрыв произошел около 13,7 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 10 32 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 10 19 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 10 19 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 10 14 ГэВ). При энергиях порядка 10 3 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи - нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.