Instrumentul principal pentru studiul particulelor elementare. Istoria descoperirii particulelor elementare: atomi, hadroni, quarci, corzi. Un foton este o cuantă de lumină Planck „animată”, adică. cuantumul luminii purtând impuls

Introducere

1. Descoperirea particulelor elementare

2. Teorii ale particulelor elementare

2.1. Electrodinamică cuantică (QED)

2.2. Teoria cuarcilor

2.3. Teoria interacțiunii electroslabe

2.4. cromodinamica cuantică

Concluzie

Literatură

Introducere.

La mijlocul și a doua jumătate a secolului al XX-lea, s-au obținut rezultate cu adevărat uimitoare în acele ramuri ale fizicii care sunt ocupate cu studiul structurii fundamentale a materiei. În primul rând, acest lucru s-a manifestat prin descoperirea unei game întregi de noi particule subatomice. Ele sunt de obicei numite particule elementare, dar nu toate sunt cu adevărat elementare. Multe dintre ele, la rândul lor, constau din și mai multe particule elementare.

Lumea particulelor subatomice este cu adevărat diversă. Acestea includ protoni și neutroni care alcătuiesc nucleele atomice, precum și electronii care se rotesc în jurul nucleelor. Dar există și particule care practic nu apar în materia din jurul nostru. Durata lor de viață este extrem de scurtă, este cea mai mică fracțiune de secundă. După acest timp extrem de scurt, ele se descompun în particule obișnuite. Există uimitor de multe astfel de particule instabile de scurtă durată: câteva sute dintre ele sunt deja cunoscute.

În anii 1960 și 1970, fizicienii au fost complet uluiți de abundența, varietatea și neobișnuirea particulelor subatomice nou descoperite. Părea să nu aibă sfârșit. Este complet de neînțeles de ce atâtea particule. Sunt aceste particule elementare fragmente haotice și aleatorii de materie? Sau poate dețin cheia înțelegerii structurii universului? Dezvoltarea fizicii în următoarele decenii a arătat că nu există nicio îndoială cu privire la existența unei astfel de structuri. La sfârşitul secolului al XX-lea. fizica începe să înțeleagă care este semnificația fiecăreia dintre particulele elementare.

Lumea particulelor subatomice are o ordine profundă și rațională. Această ordine se bazează pe interacțiuni fizice fundamentale.

1. Descoperirea particulelor elementare.

Descoperirea particulelor elementare a fost un rezultat firesc al progresului general în studiul structurii materiei, realizat de fizică la sfârșitul secolului al XIX-lea. A fost pregătit prin studii cuprinzătoare ale spectrelor optice ale atomilor, studiul fenomenelor electrice în lichide și gaze, descoperirea fotoelectricității, razelor X, radioactivitatea naturală, care au mărturisit existența unei structuri complexe a materiei.

Din punct de vedere istoric, prima particulă elementară descoperită a fost electronul - purtătorul sarcinii electrice elementare negative în atomi. În 1897, J. J. Thomson a stabilit că așa-numitul. razele catodice sunt formate dintr-un flux de particule minuscule, care au fost numite electroni. În 1911, E. Rutherford, trecând particule alfa dintr-o sursă radioactivă naturală prin folii subțiri de diferite substanțe, a aflat că sarcina pozitivă din atomi este concentrată în formațiuni compacte - nuclee, iar în 1919 a descoperit protoni - particule cu sarcină pozitivă unitară. și o masă de 1840 de ori masa unui electron. O altă particulă care alcătuiește nucleul, neutronul, a fost descoperită în 1932 de J. Chadwick în timp ce studia interacțiunea particulelor a cu beriliul. Neutronul are o masă apropiată de cea a protonului, dar nu are sarcină electrică. Descoperirea neutronului a finalizat identificarea particulelor - elementele structurale ale atomilor și nucleele acestora.

Concluzia despre existența unei particule de câmp electromagnetic - un foton - provine din lucrarea lui M. Planck (1900). Presupunând că energia radiației electromagnetice a unui corp absolut negru este cuantificată, Planck a obținut formula corectă pentru spectrul radiațiilor. Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein (1905) a postulat că radiația electromagnetică (lumina) este de fapt un flux de cuante individuale (fotoni) și pe această bază a explicat legile efectului fotoelectric. Dovezile experimentale directe pentru existența fotonului au fost date de R. Millikan (1912-1915) și A. Compton (1922).

Descoperirea neutrinului, o particulă care aproape că nu interacționează cu materia, provine din conjectura teoretică a lui W. Pauli (1930), care a făcut posibilă, prin presupunerea nașterii unei astfel de particule, eliminarea dificultăților cu legea lui conservarea energiei în procesele de dezintegrare beta a nucleelor ​​radioactive. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental abia în 1953 (F. Reines și K. Cowen, SUA).

Din anii 30 până la începutul anilor 50. studiul particulelor elementare a fost strâns legat de studiul razelor cosmice. În 1932, în compoziția razelor cosmice, K. Anderson a descoperit pozitronul (e +) - o particulă cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă. Pozitronul a fost prima antiparticulă descoperită. Existența lui e+ a urmat direct din teoria relativistă a electronului dezvoltată de P. Dirac (1928-31) cu puțin timp înainte de descoperirea pozitronului. În 1936, fizicienii americani K. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit muonii (din ambele semne de sarcină electrică) în studiul razelor osmice - particule cu o masă de aproximativ 200 de mase de electroni, dar de altfel surprinzător de similare ca proprietăți cu e-, e +.

În 1947, tot în raze cosmice, grupul lui S. Powell a descoperit mesonii p+ și p- cu o masă de 274 de mase de electroni, care joacă un rol important în interacțiunea protonilor cu neutronii din nuclee. Existența unor astfel de particule a fost sugerată de H. Yukawa în 1935.

Sfârșitul anilor 40 - începutul anilor 50. au fost marcate de descoperirea unui grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite „ciudate”. Primele particule din acest grup, mezonii K + - și K -, hiperonii L-, S + -, S- -, X- -, au fost descoperite în raze cosmice, descoperirile ulterioare de particule ciudate au fost făcute la acceleratoare - instalații care creează fluxuri intense de protoni și electroni rapizi. La ciocnirea cu materia, protonii și electronii accelerați dau naștere la noi particule elementare, care devin subiect de studiu.

De la începutul anilor 50. acceleratorii au devenit instrumentul principal pentru studiul particulelor elementare. În anii 70. energiile particulelor dispersate în acceleratoare s-au ridicat la zeci și sute de miliarde de electron volți (GeV). Dorința de a crește energiile particulelor se datorează faptului că energiile înalte deschid posibilitatea studierii structurii materiei la distanțe mai scurte, cu atât mai mare este energia particulelor care se ciocnesc. Acceleratoarele au crescut semnificativ rata de obținere a datelor noi și, în scurt timp, ne-au extins și ne-au îmbogățit cunoștințele despre proprietățile microlumii. Utilizarea acceleratoarelor pentru a studia particulele ciudate a făcut posibilă studierea mai detaliată a proprietăților acestora, în special a caracteristicilor dezintegrarii lor, și a condus în curând la o descoperire importantă: elucidarea posibilității de a schimba caracteristicile unor microprocese în timpul operațiunii. de reflexie în oglindă – așa-numita. încălcarea spaţiilor, paritate (1956). Punerea în funcțiune a acceleratoarelor de protoni cu energii de miliarde de electroni volți a făcut posibilă descoperirea de antiparticule grele: antiprotonul (1955), antineutronul (1956) și hiperonii antisigma (1960). În 1964, a fost descoperit cel mai greu hiperon W- (cu o masă de aproximativ două mase de protoni). În anii 1960 la acceleratoare au fost descoperite un număr mare de particule extrem de instabile (comparativ cu alte particule elementare instabile), care au fost numite „rezonanțe”. Masele majorității rezonanțelor depășesc masa protonului. Primul dintre ele D1 (1232) este cunoscut din 1953. S-a dovedit că rezonanța constituie partea principală a particulelor elementare.

În 1962, s-a descoperit că există doi neutrini diferiți: electroni și muoni. În 1964, în dezintegrarea mezonilor K neutri, a fost descoperită așa-numita nonconservare. paritatea combinată (introdusă de Li Tsung-tao și Yang Chen-ning și independent de L. D. Landau în 1956), ceea ce înseamnă necesitatea revizuirii opiniilor obișnuite asupra comportamentului proceselor fizice în operarea reflecției timpului.

În 1974, au fost descoperite particule y masive (3-4 mase de protoni) și în același timp relativ stabile, cu o viață neobișnuit de lungă pentru rezonanțe. S-au dovedit a fi strâns legate de o nouă familie de particule elementare - „fermecate”, primii reprezentanți (D0, D+, Lc) au fost descoperiți în 1976. În 1975, primele informații despre existența unui analog greu de s-a obţinut electronul şi muonul (lepton greu t). În 1977, au fost descoperite particule Ў cu o masă de ordinul a zece mase de protoni.

Astfel, de-a lungul anilor care au trecut de la descoperirea electronului, au fost dezvăluite un număr imens de diverse microparticule de materie. Lumea particulelor elementare s-a dovedit a fi destul de complicată. Proprietățile particulelor elementare descoperite s-au dovedit a fi neașteptate în multe privințe. Pentru a le descrie, pe lângă caracteristicile împrumutate din fizica clasică, cum ar fi sarcina electrică, masa, momentul unghiular, a fost necesar să se introducă multe caracteristici speciale noi, în special, pentru a descrie particulele elementare ciudate - ciudățenia (K. Nishijima, M. . Gell-Man, 1953), particule elementare „fermecate” - „farmec” (fizicienii americani J. Bjorken, S. Glashow, 1964); deja denumirile caracteristicilor de mai sus reflectă natura neobișnuită a proprietăților particulelor elementare pe care le descriu.

Studiul structurii interne a materiei și al proprietăților particulelor elementare încă de la primii pași a fost însoțit de o revizuire radicală a multor concepte și idei consacrate. Regularitățile care guvernează comportamentul materiei în mic s-au dovedit a fi atât de diferite de regularitățile mecanicii și electrodinamicii clasice, încât au necesitat construcții teoretice complet noi pentru descrierea lor.

Și valorile dorite. Secvența de acțiuni care trebuie efectuată pentru a trece de la datele inițiale la valorile dorite se numește algoritm. 2. Dezvoltarea istorică a modelelor de particule elementare 2.1 Trei etape în dezvoltarea fizicii particulelor elementare Etapa I. De la electron la pozitron: 1897-1932 (Particule elementare - „Atomii lui Democrit” la un nivel mai profund) Când grecul...

Un număr limitat de fenomene: mecanica lui Newton, sau o creație departe de a fi optimă sau perfectă a tehnologiei: linia Titanic, aeronava Tu-144, Concorde, centrala nucleară de la Cernobîl, nava spațială din seria Shuttle și multe, multe altele. 3. Dezvoltarea unei abordări sistematice în știință 3.1 Primele încercări de sistematizare a cunoștințelor fizice Prima încercare cu adevărat reușită de a sistematiza cunoștințele despre...

PLAN

Introducere

1. Descoperirea particulelor elementare

2. Teorii ale particulelor elementare

2.1. Electrodinamică cuantică (QED)

2.2. Teoria cuarcilor

2.3. Teoria interacțiunii electroslabe

2.4. cromodinamica cuantică

Concluzie

Literatură

Introducere.

La mijlocul și a doua jumătate a secolului al XX-lea, s-au obținut rezultate cu adevărat uimitoare în acele ramuri ale fizicii care sunt ocupate cu studiul structurii fundamentale a materiei. În primul rând, acest lucru s-a manifestat prin descoperirea unei game întregi de noi particule subatomice. Ele sunt de obicei numite particule elementare, dar nu toate sunt cu adevărat elementare. Multe dintre ele, la rândul lor, constau din și mai multe particule elementare.

Lumea particulelor subatomice este cu adevărat diversă. Acestea includ protoni și neutroni care alcătuiesc nucleele atomice, precum și electronii care se rotesc în jurul nucleelor. Dar există și particule care practic nu apar în materia din jurul nostru. Durata lor de viață este extrem de scurtă, este cea mai mică fracțiune de secundă. După acest timp extrem de scurt, ele se descompun în particule obișnuite. Există uimitor de multe astfel de particule instabile de scurtă durată: câteva sute dintre ele sunt deja cunoscute.

În anii 1960 și 1970, fizicienii au fost complet uluiți de abundența, varietatea și neobișnuirea particulelor subatomice nou descoperite. Părea să nu aibă sfârșit. Este complet de neînțeles de ce atâtea particule. Sunt aceste particule elementare fragmente haotice și aleatorii de materie? Sau poate dețin cheia înțelegerii structurii universului? Dezvoltarea fizicii în următoarele decenii a arătat că nu există nicio îndoială cu privire la existența unei astfel de structuri. La sfârşitul secolului al XX-lea. fizica începe să înțeleagă care este semnificația fiecăreia dintre particulele elementare.

Lumea particulelor subatomice are o ordine profundă și rațională. Această ordine se bazează pe interacțiuni fizice fundamentale.

1. Descoperirea particulelor elementare.

Descoperirea particulelor elementare a fost un rezultat firesc al progresului general în studiul structurii materiei, realizat de fizică la sfârșitul secolului al XIX-lea. A fost pregătit prin studii cuprinzătoare ale spectrelor optice ale atomilor, studiul fenomenelor electrice în lichide și gaze, descoperirea fotoelectricității, razelor X, radioactivitatea naturală, care au mărturisit existența unei structuri complexe a materiei.

Din punct de vedere istoric, prima particulă elementară descoperită a fost electronul - purtătorul sarcinii electrice elementare negative în atomi. În 1897, J. J. Thomson a stabilit că așa-numitul. razele catodice sunt formate dintr-un flux de particule minuscule, care au fost numite electroni. În 1911, E. Rutherford, trecând particule alfa dintr-o sursă radioactivă naturală prin folii subțiri de diferite substanțe, a aflat că sarcina pozitivă din atomi este concentrată în formațiuni compacte - nuclee, iar în 1919 a descoperit protoni - particule cu sarcină pozitivă unitară. și o masă de 1840 de ori masa unui electron. O altă particulă care alcătuiește nucleul, neutronul, a fost descoperită în 1932 de J. Chadwick în timp ce studia interacțiunea particulelor a cu beriliul. Neutronul are o masă apropiată de cea a protonului, dar nu are sarcină electrică. Descoperirea neutronului a finalizat identificarea particulelor - elementele structurale ale atomilor și nucleele acestora.

Concluzia despre existența unei particule de câmp electromagnetic - un foton - provine din lucrarea lui M. Planck (1900). Presupunând că energia radiației electromagnetice a unui corp absolut negru este cuantificată, Planck a obținut formula corectă pentru spectrul radiațiilor. Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein (1905) a postulat că radiația electromagnetică (lumina) este de fapt un flux de cuante individuale (fotoni) și pe această bază a explicat legile efectului fotoelectric. Dovezile experimentale directe pentru existența fotonului au fost date de R. Millikan (1912-1915) și A. Compton (1922).

Descoperirea neutrinului, o particulă care aproape că nu interacționează cu materia, provine din conjectura teoretică a lui W. Pauli (1930), care a făcut posibilă, prin presupunerea nașterii unei astfel de particule, eliminarea dificultăților cu legea lui conservarea energiei în procesele de dezintegrare beta a nucleelor ​​radioactive. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental abia în 1953 (F. Reines și K. Cowen, SUA).

Din anii 30 până la începutul anilor 50. studiul particulelor elementare a fost strâns legat de studiul razelor cosmice. În 1932, în compoziția razelor cosmice, K. Anderson a descoperit pozitronul (e +) - o particulă cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă. Pozitronul a fost prima antiparticulă descoperită. Existența lui e+ a urmat direct din teoria relativistă a electronului dezvoltată de P. Dirac (1928-31) cu puțin timp înainte de descoperirea pozitronului. În 1936, fizicienii americani K. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit muonii (din ambele semne de sarcină electrică) în studiul razelor osmice - particule cu o masă de aproximativ 200 de mase de electroni, dar de altfel surprinzător de similare ca proprietăți cu e-, e +.

În 1947, tot în raze cosmice, grupul lui S. Powell a descoperit mesonii p+ și p- cu o masă de 274 de mase de electroni, care joacă un rol important în interacțiunea protonilor cu neutronii din nuclee. Existența unor astfel de particule a fost sugerată de H. Yukawa în 1935.

Sfârșitul anilor 40 - începutul anilor 50. au fost marcate de descoperirea unui grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite „ciudate”. Primele particule din acest grup, mezonii K + - și K -, hiperonii L-, S + -, S- -, X- -, au fost descoperite în raze cosmice, descoperirile ulterioare de particule ciudate au fost făcute la acceleratoare - instalații care creează fluxuri intense de protoni și electroni rapizi. La ciocnirea cu materia, protonii și electronii accelerați dau naștere la noi particule elementare, care devin subiect de studiu.

De la începutul anilor 50. acceleratorii au devenit instrumentul principal pentru studiul particulelor elementare. În anii 70. energiile particulelor dispersate în acceleratoare s-au ridicat la zeci și sute de miliarde de electron volți (GeV). Dorința de a crește energiile particulelor se datorează faptului că energiile înalte deschid posibilitatea studierii structurii materiei la distanțe mai scurte, cu atât mai mare este energia particulelor care se ciocnesc. Acceleratoarele au crescut semnificativ rata de obținere a datelor noi și, în scurt timp, ne-au extins și ne-au îmbogățit cunoștințele despre proprietățile microlumii. Utilizarea acceleratoarelor pentru a studia particulele ciudate a făcut posibilă studierea mai detaliată a proprietăților acestora, în special a caracteristicilor dezintegrarii lor, și a condus în curând la o descoperire importantă: elucidarea posibilității de a schimba caracteristicile unor microprocese în timpul operațiunii. de reflexie în oglindă – așa-numita. încălcarea spaţiilor, paritate (1956). Punerea în funcțiune a acceleratoarelor de protoni cu energii de miliarde de electroni volți a făcut posibilă descoperirea de antiparticule grele: antiprotonul (1955), antineutronul (1956) și hiperonii antisigma (1960). În 1964, a fost descoperit cel mai greu hiperon W- (cu o masă de aproximativ două mase de protoni). În anii 1960 la acceleratoare au fost descoperite un număr mare de particule extrem de instabile (comparativ cu alte particule elementare instabile), care au fost numite „rezonanțe”. Masele majorității rezonanțelor depășesc masa protonului. Primul dintre ele D1 (1232) este cunoscut din 1953. S-a dovedit că rezonanța constituie partea principală a particulelor elementare.

În 1962, s-a descoperit că există doi neutrini diferiți: electroni și muoni. În 1964, în dezintegrarea mezonilor K neutri, a fost descoperită așa-numita nonconservare. paritatea combinată (introdusă de Li Tsung-tao și Yang Chen-ning și independent de L. D. Landau în 1956), ceea ce înseamnă necesitatea revizuirii opiniilor obișnuite asupra comportamentului proceselor fizice în operarea reflecției timpului.

În 1974, au fost descoperite particule y masive (3-4 mase de protoni) și în același timp relativ stabile, cu o viață neobișnuit de lungă pentru rezonanțe. S-au dovedit a fi strâns legate de o nouă familie de particule elementare - „fermecate”, primii reprezentanți (D0, D+, Lc) au fost descoperiți în 1976. În 1975, primele informații despre existența unui analog greu de s-a obţinut electronul şi muonul (lepton greu t). În 1977, au fost descoperite particule Ў cu o masă de ordinul a zece mase de protoni.

Astfel, de-a lungul anilor care au trecut de la descoperirea electronului, au fost dezvăluite un număr imens de diverse microparticule de materie. Lumea particulelor elementare s-a dovedit a fi destul de complicată. Proprietățile particulelor elementare descoperite s-au dovedit a fi neașteptate în multe privințe. Pentru a le descrie, pe lângă caracteristicile împrumutate din fizica clasică, cum ar fi sarcina electrică, masa, momentul unghiular, a fost necesar să se introducă multe caracteristici speciale noi, în special, pentru a descrie particulele elementare ciudate - ciudățenia (K. Nishijima, M. . Gell-Man, 1953), particule elementare „fermecate” - „farmec” (fizicienii americani J. Bjorken, S. Glashow, 1964); deja denumirile caracteristicilor de mai sus reflectă natura neobișnuită a proprietăților particulelor elementare pe care le descriu.

Studiul structurii interne a materiei și al proprietăților particulelor elementare încă de la primii pași a fost însoțit de o revizuire radicală a multor concepte și idei consacrate. Regularitățile care guvernează comportamentul materiei în mic s-au dovedit a fi atât de diferite de regularitățile mecanicii și electrodinamicii clasice, încât au necesitat construcții teoretice complet noi pentru descrierea lor.

2. Teorii ale particulelor elementare

2.1. Electrodinamică cuantică (QED)

Mecanica cuantică face posibilă descrierea mișcării particulelor elementare, dar nu generarea sau anihilarea acestora, adică este folosită doar pentru a descrie sisteme cu un număr constant de particule. O generalizare a mecanicii cuantice este teoria cuantică a câmpurilor - este o teorie cuantică a sistemelor cu un număr infinit de grade de libertate (câmpuri fizice). Necesitatea unei astfel de teorii este generată de dualismul undelor cuantice, existența proprietăților undelor în toate particulele. În teoria cuantică a câmpului, interacțiunea este prezentată ca rezultat al schimbului de quante de câmp.

La mijlocul secolului al XX-lea. a fost creată teoria interacțiunii electromagnetice - electrodinamica cuantică a QED este o teorie a interacțiunii fotonilor și electronilor, gândită până la cel mai mic detaliu și dotată cu un aparat matematic perfect. QED se bazează pe descrierea interacțiunii electromagnetice folosind conceptul de fotoni virtuali - purtătorii săi. Această teorie satisface atât principiile de bază ale teoriei cuantice, cât și ale relativității.

În centrul teoriei se află analiza actelor de emisie sau absorbție a unui foton de către o particulă încărcată, precum și anihilarea unei perechi electron-pozitron într-un foton sau generarea unei astfel de perechi de către fotoni.

Dacă în descrierea clasică electronii sunt reprezentați ca o minge punctiformă solidă, atunci în QED câmpul electromagnetic care înconjoară electronul este considerat ca un nor de fotoni virtuali care urmează neîncetat electronul, înconjurându-l cu cuante de energie. După ce un electron emite un foton, acesta creează un por (virtual) electron-pozitron care se poate anihila pentru a forma un nou foton. Acesta din urmă poate fi absorbit de fotonul original, dar poate da naștere unei noi perechi și așa mai departe. Astfel, electronul este acoperit cu un nor de fotoni virtuali, electroni și pozitroni, care se află într-o stare de echilibru dinamic. Fotonii apar și dispar foarte repede, iar electronii se mișcă în spațiu pe traiectorii nu tocmai definite. Este încă posibil să se determine într-un fel sau altul punctele de început și de sfârșit ale căii - înainte și după împrăștiere, dar calea în sine în intervalul dintre începutul și sfârșitul mișcării rămâne nedefinită.

Descrierea interacțiunii cu ajutorul unei particule purtătoare a condus la o extindere a conceptului de foton. Sunt introduse conceptele de foton real (un cuantum de lumină vizibil pentru noi) și virtual (tranzitoriu, fantomatic), care sunt „văzute” doar de particulele încărcate supuse împrăștiere.

Pentru a testa dacă teoria este de acord cu realitatea, fizicienii s-au concentrat pe două efecte de interes deosebit. Prima se referea la nivelurile de energie ale atomului de hidrogen, cel mai simplu atom. Potrivit QED, nivelurile ar trebui să fie ușor deplasate în raport cu poziția pe care ar ocupa-o în absența fotonilor virtuali. Al doilea test decisiv al QED a vizat o corecție extrem de mică a momentului magnetic propriu al electronului. Rezultatele teoretice și experimentale ale verificării QED coincid cu cea mai mare acuratețe - mai mult de nouă zecimale. O astfel de corespondență izbitoare dă dreptul de a considera QED drept cea mai perfectă dintre teoriile științelor naturale existente.

După un triumf similar, QED a fost adoptat ca model pentru descrierea cuantică a altor trei interacțiuni fundamentale. Desigur, câmpurile asociate cu alte interacțiuni trebuie să corespundă altor particule purtătoare.

2.2. Teoria cuarcilor

Teoria quarcilor este teoria structurii hadronilor. Ideea de bază a acestei teorii este foarte simplă. Toți hadronii sunt construiți din particule mai mici numite quarci. Aceasta înseamnă că quarcii sunt mai multe particule elementare decât hadronii. Quarcii poartă o sarcină electrică fracționată: au o sarcină care este fie -1/3, fie +2/3 din unitatea fundamentală, sarcina electronului. O combinație de doi și trei quarci poate avea o sarcină totală egală cu zero sau unu. Toți quarcii au spin S, deci sunt fermioni. Fondatorii teoriei quarcilor Gell-Mann și Zweig, să ia în considerare toate cunoscute în anii '60. hadronii au introdus trei soiuri (arome) de quarci: u (de sus- sus), d (de jos- jos) și s (de la ciudat - ciudat).

Quarcii se pot combina între ei într-unul din două moduri posibile: fie în tripleți, fie în perechi quarc-antiquarc. Trei quarci alcătuiesc particule relativ grele - barionii, care înseamnă „particule grele”. Cei mai cunoscuți barioni sunt neutronul și protonul. Perechile quarc-antiquarc mai ușoare formează particule numite mezoni - „particule intermediare”. De exemplu, un proton este format din doi cuarci u și un cuarc d (uud), iar un neutron este format din doi cuarcuri d și un cuarc u (udd). Pentru ca acest „trio” de cuarci să nu se degradeze, este nevoie de o forță care le ține, un anume „clei”.

S-a dovedit că interacțiunea rezultată dintre neutroni și protoni din nucleu este pur și simplu un efect rezidual al unei interacțiuni mai puternice între quarci înșiși. Aceasta a explicat de ce forța puternică pare atât de complicată. Când un proton „se lipește” de un neutron sau de un alt proton, în interacțiune sunt implicați șase quarci, fiecare dintre care interacționează cu toți ceilalți. O parte semnificativă a forțelor este cheltuită pentru lipirea puternică a unui trio de quarci, iar o mică parte este cheltuită pentru legarea a două triouri de quarci unul cu celălalt. (Dar s-a dovedit că cuarcii participă și la interacțiuni slabe. O interacțiune slabă poate schimba aroma unui cuarc. Exact așa are loc dezintegrarea unui neutron. Unul dintre cuarcurile d din neutron se transformă într-un cuarc u , iar sarcina în exces duce electronul care se naște în același timp. În mod similar, schimbarea aromei, interacțiunea slabă duce la dezintegrarea altor hadroni.)

Faptul că toți hadronii cunoscuți pot fi obținuți din diferite combinații ale celor trei particule de bază a fost un triumf pentru teoria quarcilor. Dar în anii 70. au fost descoperite noi hadroni (psi-particule, meson upsilon etc.). Aceasta a dat o lovitură primei versiuni a teoriei quarcilor, deoarece nu era loc pentru o singură particule nouă în ea. Toate combinațiile posibile de quarci și antiquarcii lor au fost deja epuizate.

Problema a fost rezolvată prin introducerea a trei noi arome. Au primit numele - farmec (farmec), sau cu; b-quark (de jos - jos, și mai adesea frumusețe - frumusețe sau farmec); ulterior, a fost introdusă o altă aromă - t (de sus - sus).

Quarcii sunt ținuți împreună de o forță puternică. Purtătorii interacțiunii puternice sunt gluonii (încărcări de culoare). Domeniul fizicii particulelor elementare care studiază interacțiunea quarcilor și gluonilor se numește cromodinamică cuantică. Așa cum electrodinamica cuantică este teoria interacțiunii electromagnetice, tot așa și cromodinamica cuantică este teoria interacțiunii puternice.

Deși există o oarecare nemulțumire cu schema de quarci, majoritatea fizicienilor consideră quarcurile ca fiind particule cu adevărat elementare - punctiforme, indivizibile și fără structură internă. În această privință, ei seamănă cu leptonii și s-a presupus de mult timp că trebuie să existe o relație profundă între aceste două familii distincte, dar similare structural.

Astfel, cel mai probabil număr de particule cu adevărat elementare (excluzând purtătorii interacțiunilor fundamentale) la sfârșitul secolului XX este de 48. Dintre acestea: leptoni (6x2) = 12 plus quarci (6x3)x2 = 36.

2.3. Teoria interacțiunii electroslabe

În anii 70 ai secolului XX, un eveniment remarcabil a avut loc în știința naturii: două interacțiuni de la patru fizicieni au fost combinate într-una singură. Imaginea fundamentelor fundamentale ale naturii a devenit oarecum simplificată. Interacțiunile electromagnetice și slabe, aparent foarte diferite ca natură, s-au dovedit în realitate a fi două varietăți ale unui singur așa-numit. interacțiune electroslabă. Teoria interacțiunii electroslabe a influențat decisiv dezvoltarea ulterioară a fizicii particulelor elementare la sfârșitul secolului al XX-lea.

Ideea principală în construirea acestei teorii a fost de a descrie interacțiunea slabă în termenii conceptului de câmp gauge, conform căruia cheia înțelegerii naturii interacțiunilor este simetria. Una dintre ideile fundamentale în fizică din a doua jumătate a secolului XX. este credința că toate interacțiunile există doar pentru a menține un anumit set de simetrii abstracte în natură. Ce legătură are simetria cu interacțiunile fundamentale? La prima vedere, însăși presupunerea existenței unei astfel de conexiuni pare paradoxală și de neînțeles.

În primul rând, despre ce se înțelege prin simetrie. Este în general acceptat că un obiect are simetrie dacă obiectul rămâne neschimbat ca urmare a uneia sau alteia operațiuni de transformare. Astfel, o sferă este simetrică deoarece arată la fel atunci când este rotită prin orice unghi din centrul ei. Legile electricității sunt simetrice în ceea ce privește înlocuirea sarcinilor pozitive cu altele negative și invers. Astfel, prin simetrie înțelegem invarianța față de o operație.

Există diferite tipuri de simetrii: geometrice, oglindă, negeometrice. Printre cele negeometrice se numără și așa-numitele simetrii de gabarit. Simetriile ecartamentului sunt abstracte și nu sunt fixate direct. Ele sunt asociate cu o schimbare a numărătorii inverse nivel, scară sau valoare o anumită cantitate fizică . Un sistem are simetrie gauge dacă natura sa rămâne neschimbată sub acest tip de transformare. Deci, de exemplu, în fizică, munca depinde de diferența de înălțimi, și nu de înălțimea absolută; tensiune - din diferența de potențial, și nu din valorile lor absolute etc. Simetriile, pe care se bazează revizuirea înțelegerii celor patru interacțiuni fundamentale, sunt tocmai de acest fel. Transformările gabaritului pot fi globale sau locale. Transformările de gabarit care variază de la un punct la altul sunt cunoscute ca transformări de gabarit „locale”. Există o serie de simetrii locale de gabarit în natură și este nevoie de un număr adecvat de câmpuri pentru a compensa aceste transformări de gabarit. Câmpurile de forță pot fi privite ca un mijloc prin care natura își creează simetriile locale inerente de gabarit. Semnificația conceptului de simetrie gauge constă în faptul că, datorită acestuia, toate cele patru interacțiuni fundamentale care apar în natură sunt modelate teoretic. Toate acestea pot fi considerate câmpuri de gabarit.

Reprezentând interacțiunea slabă ca un câmp gauge, fizicienii pornesc de la faptul că toate particulele care participă la interacțiunea slabă servesc ca surse ale unui nou tip de câmp - câmpul de forțe slabe. Particulele care interacționează slab, cum ar fi electronii și neutrinii, poartă o „sarcină slabă” care este analogă cu o sarcină electrică și asociază aceste particule cu un câmp slab.

Pentru a reprezenta câmpul de interacțiune slab ca un câmp gauge, este mai întâi necesar să se stabilească forma exactă a simetriei gauge corespunzătoare. Cert este că simetria interacțiunii slabe este mult mai complicată decât cea electromagnetică. La urma urmei, însuși mecanismul acestei interacțiuni este mai complex. În primul rând, în dezintegrarea unui neutron, de exemplu, particule de cel puțin patru tipuri diferite (neutron, proton, electron și neutrino) participă la interacțiunea slabă. În al doilea rând, acțiunea forțelor slabe duce la o schimbare a naturii lor (transformarea unor particule în altele datorită interacțiunii slabe). Dimpotrivă, interacțiunea electromagnetică nu schimbă natura particulelor care participă la ea.

Acest lucru determină faptul că interacțiunea slabă corespunde unei simetrii mai complexe de gabarit asociată cu o schimbare a naturii particulelor. S-a dovedit că sunt necesare trei noi câmpuri de forță pentru a menține simetria aici, în contrast cu un singur câmp electromagnetic. S-a obținut și o descriere cuantică a acestor trei câmpuri: trebuie să existe trei tipuri noi de particule - purtători de interacțiune, câte unul pentru fiecare câmp. Toți se numesc bosoni vectori grei cu spin 1 și sunt purtători ai interacțiunii slabe.

Particulele W + și W - sunt purtătoare a două dintre cele trei câmpuri asociate cu interacțiunea slabă. Al treilea câmp corespunde unei particule purtătoare neutre din punct de vedere electric numită particulă Z. Existența particulei Z înseamnă că interacțiunea slabă poate să nu fie însoțită de transferul de sarcină electrică.

Conceptul de rupere spontană a simetriei a jucat un rol esențial în crearea teoriei interacțiunii electroslabe: nu fiecare soluție a unei probleme trebuie să aibă toate proprietățile nivelului său inițial. Astfel, particulele care sunt complet diferite la energii joase pot fi de fapt aceeași particulă la energii mari, dar în stări diferite. Pe baza ideii de rupere spontană a simetriei, autorii teoriei interacțiunii electro-slabe, Weinberg și Salam, au reușit să rezolve o mare problemă teoretică - au combinat lucruri aparent incompatibile (o masă semnificativă de purtători de interacțiune slabă, pe de o parte, și ideea invarianței gabaritului, care implică natura cu rază lungă de acțiune a câmpului gabaritului și înseamnă masa de repaus zero a particulelor purtătoare, pe de altă parte) și, prin urmare, a combinat electromagnetismul și interacțiunea slabă într-o teorie unificată a câmpului gabarit.

În această teorie sunt reprezentate doar patru câmpuri: câmpul electromagnetic și trei câmpuri corespunzătoare interacțiunilor slabe. În plus, a fost introdus un câmp scalar (așa-numitele câmpuri Higgs) care este constant în spațiu, cu care particulele interacționează în moduri diferite, ceea ce determină diferența de masă. (Cuantele câmpului scalar sunt noi particule elementare cu spin zero. Ele se numesc Higgs (după fizicianul P. Higgs, care a sugerat existența lor). Numărul unor astfel de bosoni Higgs poate ajunge la câteva zeci. Astfel de bosoni nu au fost încă descoperite experimental.fizicienii consideră existența lor opțională, dar încă nu a fost găsit un model teoretic perfect fără bosoni Higgs) Inițial, cuantele W și Z nu au masă, dar ruperea simetriei face ca unele particule Higgs să fuzioneze cu particulele W și Z, dotându-le. cu masa.

Diferențele în proprietățile interacțiunilor electromagnetice și slabe sunt explicate de teorie ca ruperea simetriei. Dacă simetria nu ar fi întreruptă, atunci ambele interacțiuni ar fi comparabile ca mărime. Ruperea simetriei implică o scădere bruscă a interacțiunii slabe. Putem spune că interacțiunea slabă este atât de mică, deoarece particulele W și Z sunt foarte masive. Leptonii se apropie rareori de distanțe atât de mici (r< 1 0 n см., где n = - 1 6). Но при больших энергиях (>1 0 0 GeV), când particulele W și Z pot fi produse liber, schimbul de bosoni W și Z este la fel de ușor ca și schimbul de fotoni (particule fără masă). Diferența dintre fotoni și bozoni este ștearsă.În aceste condiții, ar trebui să existe o simetrie completă între interacțiunile electromagnetice și cele slabe - interacțiunea electroslabă.

Testul noii teorii a fost de a confirma existența particulelor ipotetice W și Z. Descoperirea lor a devenit posibilă doar odată cu crearea unor acceleratoare foarte mari de cel mai recent tip. Descoperirea în 1983 a particulelor W și Z a însemnat triumful teoriei interacțiunii electro-slabe. Nu mai era nevoie să vorbim despre cele patru interacțiuni fundamentale. Au mai rămas trei.

2.4. cromodinamica cuantică

Următorul pas pe calea Marii Unificări a interacțiunilor fundamentale este contopirea interacțiunii puternice cu cea electroslabă. Pentru a face acest lucru, este necesar să se acorde caracteristicile unui câmp de măsurare interacțiunii puternice și să se introducă o idee generalizată a simetriei izotopice. Interacțiunea puternică poate fi considerată ca rezultat al schimbului de gluoni, care asigură legarea quarcilor (în perechi sau tripleți) în hadroni.

Ideea aici este următoarea. Fiecare quarc are un analog al sarcinii electrice, care servește ca sursă a câmpului de gluoni. S-a numit culoare (Desigur, acest nume nu are nimic de-a face cu culoarea obișnuită). Dacă câmpul electromagnetic este generat de un singur tip de sarcină, atunci au fost necesare trei sarcini de culoare diferite pentru a crea un câmp gluon mai complex. Fiecare quarc este „colorat” într-una dintre cele trei culori posibile, care, în mod destul de arbitrar, au fost numite roșu, verde și albastru. Și în consecință, antiquarcii sunt anti-roșu, anti-verde și anti-albastru.

În etapa următoare, teoria interacțiunii puternice se dezvoltă pe aceeași linie ca și teoria interacțiunii slabe. Cerința de simetrie locală a gabaritului (adică invarianța față de schimbările de culoare în fiecare punct din spațiu) conduce la necesitatea introducerii câmpurilor de forță compensatoare. Sunt necesare un total de opt noi câmpuri de forță compensatoare. Particulele care transportă aceste câmpuri sunt gluoni și, prin urmare, rezultă din teoria că trebuie să existe până la opt tipuri diferite de gluoni. (În timp ce purtătorul interacțiunii electromagnetice este doar unul (foton), iar purtătorii interacțiunii slabe sunt trei.) Gluonii au masa de repaus zero și spin 1. Gluonii au și culori diferite, dar nu puri, ci amestecați (de exemplu , albastru- anti-verde). Prin urmare, emisia sau absorbția unui gluon este însoțită de o schimbare a culorii quarcului („jocul de culori”). Deci, de exemplu, un quarc roșu, pierzând un gluon roșu-anti-albastru, se transformă într-un quarc albastru, iar un quarc verde, absorbind un gluon albastru-anti-verde, se transformă într-un quarc albastru. Într-un proton, de exemplu, trei quarci schimbă în mod constant gluoni, schimbându-și culoarea. Cu toate acestea, astfel de modificări nu sunt arbitrare, ci se supun unei reguli stricte: în orice moment, culoarea „totală” a celor trei quarci trebuie să fie lumină albă, adică suma „roșu + verde + albastru”. Acest lucru se aplică și mezonilor, constând dintr-o pereche quark-antiquark. Deoarece un antiquarc este caracterizat de un anticolor, o astfel de combinație este în mod evident incoloră ("alb"), de exemplu, un cuarc roșu în combinație cu un cuarc antiroșu formează un mezon incolor.

Din punctul de vedere al cromodinamicii cuantice (teoria culorii cuantice), interacțiunea puternică nu este altceva decât dorința de a menține o anumită simetrie abstractă a naturii: păstrarea culorii albe a tuturor hadronilor în timp ce se schimbă culoarea părților lor constitutive. Cromodinamica cuantică explică perfect regulile pe care le respectă toate combinațiile de quarci, interacțiunea gluonilor între ei (un gluon se poate descompune în doi gluoni sau poate îmbina doi gluoni într-unul singur - de aceea apar termeni neliniari în ecuația câmpului gluonilor), complexul structura unui hadron, constând din „îmbrăcat” în nori de quarci etc.

Poate fi prematur să se evalueze cromodinamica cuantică ca fiind teoria finală și completă a forței puternice, dar realizările sale sunt totuși promițătoare.

Concluzie.

Originea multor proprietăți ale particulelor elementare și natura interacțiunilor lor inerente rămân în mare parte neclare. Poate că mai mult de o restructurare a tuturor reprezentărilor și o înțelegere mult mai profundă a relației dintre proprietățile microparticulelor și proprietățile geometrice ale spațiu-timpului vor fi necesare înainte ca teoria particulelor elementare să fie construită.

LITERATURĂ

Alekseev V.P. Formarea omenirii. M., 1984. Bohr N. Fizica atomică și cunoașterea umană. M., 1961 Născut Teoria relativității a lui M. Einstein. M., 1964.

Dorfman Ya.G. Istoria mondială a fizicii de la începutul secolului al XIX-lea până la mijlocul secolului al XX-lea. M., 1979.

Kaempfer F. Calea către fizica modernă. M., 1972.

Naidysh V.M. Concepte ale științelor naturale moderne. Tutorial. M., 1999.

Bazhenov L.B. Structura și funcțiile teoriei științelor naturale. M., 1978.

Rosenthal I.L. Particule elementare și structura Universului. M, 1984.

De la electron la neutrini

Electron

Pozitron

Neutrino

De la ciudățenie la farmec

Descoperirea unor particule ciudate

Rezonanțe

Particule „fermecate”.

Concluzie

Literatură

Introducere.

La mijlocul și a doua jumătate a secolului al XX-lea, s-au obținut rezultate cu adevărat uimitoare în acele ramuri ale fizicii care sunt ocupate cu studiul structurii fundamentale a materiei. În primul rând, acest lucru s-a manifestat prin descoperirea unei game întregi de noi particule subatomice. Ele sunt de obicei numite particule elementare, dar nu toate sunt cu adevărat elementare. Multe dintre ele, la rândul lor, constau din și mai multe particule elementare.

Descoperirea particulelor elementare a fost un rezultat firesc al progresului general în studiul structurii materiei, realizat de fizică la sfârșitul secolului al XIX-lea. Ea a fost pregătită prin studii cuprinzătoare ale spectrelor optice ale atomilor, studiul fenomenelor electrice în lichide și gaze, descoperirea fotoelectricității, razelor X, radioactivitatea naturală, care mărturiseau existența unei structuri complexe a materiei.

Lumea particulelor subatomice este cu adevărat diversă. Acestea includ protoni și neutroni care alcătuiesc nucleele atomice, precum și electronii care se rotesc în jurul nucleelor. Dar există și particule care practic nu apar în materia din jurul nostru. Durata lor de viață este extrem de scurtă, este cea mai mică fracțiune de secundă. După acest timp extrem de scurt, ele se descompun în particule obișnuite. Există un număr uimitor de mare de astfel de particule instabile de scurtă durată: câteva sute dintre ele au fost deja cunoscute.

În anii 1960 și 1970, fizicienii au fost complet uluiți de abundența, varietatea și neobișnuirea particulelor subatomice nou descoperite. Părea să nu aibă sfârșit. Este complet de neînțeles de ce atâtea particule. Sunt aceste particule elementare fragmente haotice și aleatorii de materie? Sau poate dețin cheia înțelegerii structurii universului? Dezvoltarea fizicii în următoarele decenii a arătat că nu există nicio îndoială cu privire la existența unei astfel de structuri. La sfârşitul secolului al XX-lea. fizica începe să înțeleagă care este semnificația fiecăreia dintre particulele elementare

Lumea particulelor subatomice are o ordine profundă și rațională. Această ordine se bazează pe interacțiuni fizice fundamentale

Particulele elementare în sensul exact al acestui termen sunt particule primare, în continuare necompuse, din care, prin presupunere, constă toată materia. Conceptul de „particule elementare” în fizica modernă exprimă ideea de entități primitive care determină toate proprietățile cunoscute ale lumii materiale, idee care a apărut în etapele incipiente ale formării științelor naturale și a jucat întotdeauna un rol important în dezvoltarea acestuia.

Conceptul de „particule elementare” s-a format în strânsă legătură cu stabilirea naturii discrete a structurii materiei la nivel microscopic. Descoperire la începutul secolelor XIX-XX. cei mai mici purtători ai proprietăților materiei - molecule și atomi - și stabilirea faptului că moleculele sunt construite din atomi, a făcut pentru prima dată posibilă descrierea tuturor substanțelor cunoscute ca combinații ale unui număr finit, deși mare, de structuri structurale. componente – atomi. Descoperirea ulterioară a prezenței constituenților constituenți ai atomilor - electroni și nuclee, stabilirea naturii complexe a nucleelor, care s-a dovedit a fi construită din doar două tipuri de particule (protoni și neutroni), a redus semnificativ numărul de elemente discrete. care formează proprietățile materiei și au dat motive să presupunem că lanțul de părți constitutive ale materiei se termină cu formațiuni discrete fără structură - particule elementare. O astfel de presupunere, în general, este o extrapolare a unor fapte cunoscute și nu poate fi justificată în niciun fel. Este imposibil să se afirme cu certitudine că există particule care sunt elementare în sensul definiției de mai sus. De exemplu, protonii și neutronii, care pentru o lungă perioadă de timp au fost considerate particule elementare, după cum sa dovedit, au o structură complexă. Este posibil ca succesiunea componentelor structurale ale materiei să fie fundamental infinită. De asemenea, se poate dovedi că afirmația „constă în...” la o anumită etapă a studiului materiei va fi lipsită de conținut. În acest caz, definiția „elementar” dată mai sus va trebui abandonată. Existența particulelor elementare este un fel de postulat, iar verificarea validității sale este una dintre cele mai importante sarcini ale fizicii.

De la electron la neutrini

Electron

Din punct de vedere istoric, prima particulă elementară descoperită a fost electronul - purtătorul sarcinii electrice elementare negative în atomi.

Aceasta este cea mai „veche” particulă elementară. În termeni ideologici, el a intrat în fizică în 1881, când Helmholtz, într-un discurs în onoarea lui Faraday, a subliniat că structura atomică a materiei, împreună cu legile lui Faraday ale electrolizei, duce inevitabil la ideea că sarcina electrică trebuie să fie întotdeauna un multiplu al unei sarcini elementare, adică la concluzia despre cuantificarea sarcinii electrice. Purtătorul sarcinii elementare negative, așa cum știm acum, este electronul

Maxwell, care a creat teoria fundamentală a fenomenelor electrice și magnetice și a folosit într-un mod semnificativ rezultatele experimentale ale lui Faraday, nu a acceptat ipoteza electricității atomice.

Între timp, teoria „temporară” a existenței electronului a fost confirmată în 1897 în experimentele lui J. J. Thomson, în care a identificat așa-numitele raze catodice cu electroni și a măsurat sarcina și masa electronului. Thomson a numit particulele razelor catodice „corpuscule” sau atomi primordiali. Cuvântul „electron” a fost folosit inițial pentru a desemna mărimea sarcinii „corpusculului”. Și numai în timp, particula în sine a început să fie numită electron.

Cu toate acestea, ideea electronului nu a fost imediat acceptată. Când, într-o prelegere la Royal Society, J. J. Thomson, descoperitorul electronului, a sugerat că particulele razelor catodice ar trebui considerate posibile componente ale atomului, unii dintre colegii săi au crezut sincer că el le mistifică. Planck însuși a recunoscut în 1925 că nu credea pe deplin atunci, în 1900, în ipoteza electronului

Putem spune că după experimentele lui Millikan, care a măsurat în 1911. încărcăturile electronilor individuali, această primă particulă elementară a primit dreptul de a exista

Foton

Dovada experimentală directă a existenței fotonului a fost dată de R. Millikan în 1912-1915. în studiile sale despre efectul fotoelectric, precum și A. Compton în 1922, care a descoperit împrăștierea razelor X cu o modificare a frecvenței acestora.

Un foton este, într-un sens, o particulă specială. Faptul este că masa sa în repaus, spre deosebire de alte particule (cu excepția neutrinilor), este egală cu zero. Prin urmare, nu a fost imediat considerată o particulă: la început s-a crezut că prezența unei mase de repaus finite și nenule este o caracteristică obligatorie a unei particule elementare.

Un foton este un cuantum de lumină Planck „animat”, adică un cuantum de lumină care poartă impuls

Cuantele de lumină au fost introduse de Planck în 1901 pentru a explica legile radiației unui corp complet negru. Dar el nu erau particule, ci doar „porțiuni” minime posibile de energie luminoasă de o frecvență sau alta.

Deși presupunerea lui Planck despre cuantificarea energiei luminii era absolut contrară oricărei teorii clasice, Planck însuși nu a înțeles imediat acest lucru. Omul de știință a scris că „… a încercat să introducă cumva valoarea lui h în cadrul teoriei clasice. Cu toate acestea, în ciuda tuturor acestor încercări, această valoare s-a dovedit a fi foarte încăpățânată. Ulterior, această valoare a fost numită constanta lui Planck (h \u003d 6 * 10 -27 erg.s)

După introducerea constantei Planck, situația nu a devenit mai clară.

Fotonii sau cuantele au fost făcute „vii” de teoria relativității a lui Einstein, care în 1905 a arătat că cuantele trebuie să aibă nu numai energie, ci și impuls și că sunt particule în sensul deplin, numai speciale, deoarece masa lor în repaus este zero, și se mișcă cu viteza luminii

Deci, concluzia despre existența unei particule de câmp electromagnetic - un foton - provine din lucrarea lui M. Planck (1900). Presupunând că energia radiației electromagnetice a unui corp absolut negru este cuantificată, Planck a obținut formula corectă pentru spectrul radiațiilor. Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein (1905) a postulat că radiația electromagnetică (lumina) este de fapt un flux de cuante individuale (fotoni) și, pe această bază, a explicat modelele efectului fotoelectric.

Proton

Protonul a fost descoperit de E. Rutherford în 1919 în studiile interacțiunii particulelor alfa cu nucleele atomice.

Mai exact, descoperirea protonului este asociată cu descoperirea nucleului atomic. A fost realizat de Rutherford prin bombardarea atomilor de azot cu particule alfa de înaltă energie. Rutherford a concluzionat că „nucleul atomului de azot se dezintegrează ca urmare a forțelor enorme care se dezvoltă în coliziune cu o particulă α rapidă și că atomul de hidrogen eliberat formează o parte integrantă a nucleului de azot”. În 1920, nucleele atomului de hidrogen au fost denumite protoni de către Rutherford (proton în greacă înseamnă cel mai simplu, primar). Au fost și alte sugestii pentru un nume. Deci, de exemplu, a fost propus numele de „baron” (baros în greacă înseamnă greutate). Cu toate acestea, a subliniat doar o caracteristică a nucleului de hidrogen - masa sa. Termenul „proton” a fost mult mai profund și mai semnificativ, reflectând natura fundamentală a protonului, deoarece protonul este cel mai simplu nucleu - nucleul celui mai ușor izotop al hidrogenului. Acesta este, fără îndoială, unul dintre cei mai de succes termeni din fizica particulelor elementare. Astfel, protonii sunt particule cu o sarcină pozitivă unitară și o masă de 1840 de ori mai mare decât masa unui electron.

Neutroni

O altă particulă care alcătuiește nucleul, neutronul, a fost descoperită în 1932 de J. Chadwick în timp ce studia interacțiunea particulelor alfa cu beriliul. Neutronul are o masă apropiată de cea a protonului, dar nu are sarcină electrică. Descoperirea neutronului a finalizat identificarea particulelor - elementele structurale ale atomilor și nucleele acestora

Descoperirea izotopilor nu a clarificat problema structurii nucleului. Până atunci, erau cunoscuți numai protoni - nuclee de hidrogen și electroni și, prin urmare, era firesc să încercăm să explicăm existența izotopilor prin diferite combinații ale acestor particule încărcate pozitiv și negativ. S-ar putea crede că nucleele conțin protoni A, unde A este numărul de masă și A ? electroni Z. În acest caz, sarcina pozitivă totală coincide cu numărul atomic Z

O imagine atât de simplă a unui nucleu omogen la început nu a contrazis concluzia despre dimensiunea mică a nucleului, care a rezultat din experimentele lui Rutherford. „Raza naturală” a unui electron r0 \u003d e 2 /mc 2 (care se obține prin echivalarea energiei electrostatice e 2 /r0 a sarcinii distribuite pe învelișul sferic cu energia proprie a electronului mc 2) este r0 \u003d 2,82 * 10 -15 m. Un astfel de electron este suficient de mic pentru a fi în interiorul unui nucleu cu o rază de 10–14 m, deși ar fi dificil să plasezi un număr mare de particule acolo. În 1920 Rutherford și alți oameni de știință au luat în considerare posibilitatea unei combinații stabile a unui proton și a unui electron, reproducând o particulă neutră cu o masă aproximativ egală cu cea a unui proton. Cu toate acestea, din cauza lipsei unei sarcini electrice, astfel de particule ar fi dificil de detectat. Este puțin probabil ca aceștia să poată elimina și electronii de pe suprafețele metalice, cum ar fi undele electromagnetice în timpul efectului fotoelectric.

Abia după un deceniu, după ce radioactivitatea naturală a fost investigată amănunțit și radiațiile radioactive au început să fie utilizate pe scară largă pentru a provoca transformarea artificială a atomilor, a fost stabilită în mod fiabil existența unui nou constituent al nucleului. În 1930, W. Bothe și G. Becker de la Universitatea din Giessen au iradiat litiu și beriliu cu particule alfa și, folosind un contor Geiger, au înregistrat radiația penetrantă rezultată. Deoarece această radiație nu a fost afectată de câmpurile electrice și magnetice și avea o putere mare de penetrare, autorii au ajuns la concluzia că au fost emise radiații gamma dure. În 1932, F. Joliot și I. Curie au repetat experimente cu beriliu, trecând astfel de radiații penetrante printr-un bloc de parafină. Ei au descoperit că protonii de energie neobișnuit de mare au fost emiși din parafină și au ajuns la concluzia că radiația gamma care trece prin parafină a produs protoni ca urmare a împrăștierii. (În 1923 s-a descoperit că razele X se împrăștie pe electroni, dând efectul Compton.)

J. Chadwick a repetat experimentul. El a folosit, de asemenea, parafină și, folosind o cameră de ionizare, în care a fost colectată sarcina generată atunci când electronii erau scoși din atomi, a măsurat gama de protoni de recul.

Chadwick a folosit, de asemenea, azotul gazos (într-o cameră cu nori în care picăturile de apă se condensează de-a lungul traseului unei particule încărcate) pentru a absorbi radiația și pentru a măsura intervalul de atomi de recul de azot. Aplicând legile conservării energiei și impulsului la rezultatele ambelor experimente, el a ajuns la concluzia că radiația neutră detectată nu este radiația gamma, ci un flux de particule cu o masă apropiată de cea a unui proton. Chadwick a mai arătat că sursele cunoscute de radiații gamma nu elimina protonii.

Astfel, a fost confirmată existența unei noi particule, care se numește acum neutron.

Despicarea beriliului metalic a procedat după cum urmează:

Particulele alfa 4 2 He (sarcina 2, numărul de masă 4) s-au ciocnit cu nucleele de beriliu (sarcina 4, numărul de masă 9), rezultând carbon și un neutron

Descoperirea neutronului a fost un pas important înainte. Caracteristicile observate ale nucleelor ​​ar putea fi acum interpretate luând în considerare neutronii și protonii ca constituenți ai nucleelor

Acum se știe că neutronul este cu 0,1% mai greu decât protonul. Neutronii liberi (în afara nucleului) suferă dezintegrare radioactivă, transformându-se într-un proton și un electron. Aceasta amintește de ipoteza originală a unei particule neutre compuse. Cu toate acestea, în interiorul unui nucleu stabil, neutronii sunt legați de protoni și nu se descompun spontan.

Pozitron

Începând cu anii 1930 și până în anii 1950, noi particule au fost descoperite în principal în razele cosmice. În 1932, în compoziția lor, A. Anderson a descoperit prima antiparticulă - pozitronul (e +) - o particulă cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă. Pozitronul a fost prima antiparticulă descoperită. Existența lui e+ a urmat direct din teoria relativistă a electronului dezvoltată de P. Dirac (1928-31) cu puțin timp înainte de descoperirea pozitronului. În 1936 Fizicienii americani K. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit muoni (ambele semne de sarcină electrică) în studiul razelor cosmice - particule cu o masă de aproximativ 200 de mase de electroni, dar de altfel surprinzător de similare ca proprietăți cu e-, e +

Pozitronii (electronii pozitivi) nu pot exista în materie, deoarece atunci când încetinesc, se anihilează, conectându-se cu electronii negativi. În acest proces, care poate fi considerat ca fiind procesul invers de producere a perechilor, electronii pozitivi și negativi dispar, în timp ce se formează fotoni, cărora le este transferată energia. În anihilarea unui electron și a unui pozitron, în majoritatea cazurilor se formează doi fotoni, mult mai rar - un foton. Anihilarea unui singur foton poate avea loc numai atunci când electronul este puternic legat de nucleu; participarea nucleului în acest caz este necesară pentru conservarea impulsului. Anihilarea cu doi fotoni, dimpotrivă, poate avea loc și cu un electron liber. Adesea, procesul de anihilare are loc după ce pozitronul sa oprit aproape complet. În acest caz, doi fotoni cu energii egale sunt emiși în direcții opuse

Pozitronul a fost descoperit de Anderson în timp ce studia razele cosmice folosind metoda camerei cu nori. Figura, care este o reproducere a unei fotografii cu camera de nori realizată de Anderson, arată o particulă pozitivă care intră într-o placă de plumb de 0,6 cm grosime cu un impuls de 6,3 x 107 eV/s și o părăsește cu un impuls de 2,3 x 107 eV/s. . Se poate stabili o limită superioară a masei acestei particule, presupunând că pierde energie doar în ciocniri. Această limită este de 20 de mine. Pe baza acestei fotografii și a altor fotografii similare, Anderson a emis ipoteza existenței unei particule pozitive cu o masă aproximativ egală cu cea a unui electron obișnuit. Această concluzie a fost în curând confirmată de observațiile lui Blackett și Occhialini într-o cameră cu nori. La scurt timp după aceea, Curie și Joliot au descoperit că pozitronii sunt produși prin conversia razelor gamma din surse radioactive și sunt, de asemenea, emiși de izotopi radioactivi artificiali. Deoarece fotonul, fiind neutru, formează o pereche (pozitron și electron), din principiul conservării sarcinii electrice rezultă că valoarea absolută a sarcinii pozitronului este egală cu sarcina electronului.

Prima determinare cantitativă a masei pozitronului a fost făcută de Thibaut, care a măsurat raportul e/m folosind metoda trohoidului și a concluzionat că masele pozitronului și electronului diferă cu cel mult 15%. Experimentele ulterioare ale lui Spies și Zan, care au folosit o configurație spectrografică de masă, au arătat că masele electronului și ale pozitronului coincid cu 2%. Mai târziu, Dumond și colegii de muncă au măsurat lungimea de undă a radiației de anihilare cu mare precizie. Cu acuratețe la erorile experimentale (0,2%), au obținut o astfel de valoare a lungimii de undă, care ar trebui așteptată în ipoteza că pozitronul și electronul au mase egale.

Legea conservării momentului unghiular așa cum este aplicată procesului de producere a perechilor arată că pozitronii au un spin de jumătate întreg și, prin urmare, se supun statisticilor Fermi. Este rezonabil să presupunem că spinul pozitronului este 1/2, la fel ca spinul electronului

Bujori și muoni. Descoperirea mesonului

Descoperirea mezonului, spre deosebire de descoperirea pozitronului, nu a fost rezultatul unei singure observații, ci mai degrabă o concluzie dintr-o serie întreagă de studii experimentale și teoretice.

În 1932, Rossi, folosind metoda coincidenței propusă de Bothe și Kolhurster, a arătat că o fracțiune cunoscută din radiația cosmică observată la nivelul mării este formată din particule capabile să pătrundă prin plăci de plumb de până la 1 m grosime.La scurt timp după aceea, a atras și atenția. la existenţa în razele cosmice a două componente diferite. Particulele dintr-o componentă (componenta penetrantă) sunt capabile să treacă prin grosimi mari de materie, iar gradul de absorbție a acestora de către diferite substanțe este aproximativ proporțional cu masa acestor substanțe. Particulele celeilalte componente (componenta de dus) sunt absorbite rapid, mai ales de elementele grele; în acest caz, se formează un număr mare de particule secundare (averse). Experimentele cu camera de nori ale lui Anderson și Neddemeyer privind trecerea particulelor de raze cosmice prin plăcile de plumb au arătat, de asemenea, că există două componente distincte ale razelor cosmice. Aceste experimente au arătat că, în timp ce pierderea medie de energie a particulelor de raze cosmice în plumb a fost de ordinul mărimii cu pierderea de coliziune calculată teoretic, unele dintre aceste particule au suferit pierderi mult mai mari.

În 1934, Bethe și Heitler au publicat teoria pierderii radiative a electronilor și producerea de perechi de către fotoni. Proprietățile componentei mai puțin penetrante observate de Anderson și Neddemeyer erau în acord cu proprietățile electronilor prezise de teoria lui Bethe și Heitler; în acest caz, pierderile mari au fost explicate prin procese de radiație. Proprietățile radiației care formează dușuri descoperite de Rossi ar putea fi explicate și presupunând că această radiație constă din electroni și fotoni de înaltă energie. Pe de altă parte, deși recunoscând validitatea teoriei lui Bethe și Heitler, a trebuit să concluzionăm că particulele „penetrante” din experimentele lui Rossi și particulele mai puțin absorbite din experimentele lui Anderson și Neddemeyer diferă de electroni. A trebuit să presupunem că particulele care pătrund sunt mai grele decât electronii, deoarece, conform teoriei, pierderea de energie pentru radiație este invers proporțională cu pătratul masei.

În legătură cu aceasta, a fost discutată posibilitatea prăbușirii teoriei radiațiilor la energii mari. Ca alternativă, Williams a sugerat în 1934 că particulele penetrante de raze cosmice ar putea avea masa unui proton. Una dintre dificultățile asociate cu această ipoteză a fost necesitatea existenței nu numai a protonilor pozitivi, ci și negativi, deoarece experimentele cu camera de nori au arătat că particulele penetrante ale razelor cosmice au sarcini ale ambelor semne. Mai mult, în unele fotografii făcute de Anderson și Neddemeyer într-o cameră cu nori, se puteau vedea particule care nu radiau ca electronii, dar, totuși, nu erau la fel de grele ca protonii. Astfel, până la sfârșitul anului 1936, a devenit aproape evident că, pe lângă electroni, razele cosmice conțineau și particule de tip necunoscut până atunci, probabil particule cu o masă intermediară între cea a unui electron și cea a unui proton. De asemenea, trebuie menționat că în 1935 Yukawa, din considerente pur teoretice, a prezis existența unor astfel de particule.

Existența particulelor de masă intermediară a fost demonstrată direct în 1937 prin experimentele lui Neddemeyer și Anderson, Street și Stevenson.

Experimentele lui Neddemeyer și Anderson au fost o continuare (cu o tehnică îmbunătățită) a studiilor menționate mai sus privind pierderile de energie ale particulelor de raze cosmice. Acestea au fost efectuate într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic și împărțită în două jumătăți de o placă de platină cu grosimea de 1 cm. Pierderea de impuls pentru particulele individuale de raze cosmice a fost determinată prin măsurarea curburii pistei înainte și după placă.

Particulele absorbite pot fi interpretate cu ușurință ca electroni. Această interpretare este susținută de faptul că, spre deosebire de particulele penetrante, particulele absorbite cauzează adesea procese secundare în absorbantul de platină și, în cea mai mare parte, apar în grupuri (două sau mai multe). Este exact ceea ce era de așteptat, deoarece mulți dintre electronii observați în aceeași geometrie experimentală ca cei ai lui Neddemeyer și Anderson fac parte din ploile formate în materia înconjurătoare. În ceea ce privește natura particulelor penetrante, următoarele două rezultate obținute de Neddemeyer și Anderson au explicat multe aici:

unu). În ciuda faptului că particulele absorbite sunt relativ mai frecvente la momente scăzute, iar particulele penetrante sunt opusul (mai frecvente la momente mari), există un interval de impuls în care sunt reprezentate atât particulele absorbite, cât și particulele penetrante. Astfel, diferența în comportamentul acestor două tipuri de particule nu poate fi atribuită diferenței de energii. Acest rezultat exclude posibilitatea de a considera particulele penetrante drept electroni, explicând comportamentul lor prin nedreptatea teoriei radiațiilor la energii mari.

2). Există un număr de particule penetrante cu un moment mai mic de 200 MeV/c care nu produc mai multă ionizare decât o particulă încărcată individual aproape de minimul curbei de ionizare. Aceasta înseamnă că particulele de raze cosmice care pătrund sunt mult mai ușoare decât protonii, deoarece un proton cu un impuls mai mic de 200 MeV/c produce o ionizare specifică de aproximativ 10 ori mai mare decât minimul.

Street și Stevenson au încercat să estimeze direct masa particulelor de raze cosmice, măsurând simultan impulsul și ionizarea specifică. Au folosit o cameră cu nor, care era controlată de un sistem de contoare Geiger-Muller pornit pentru anticoncidențe. Acest lucru a realizat selecția particulelor aproape de sfârșitul intervalului lor. Camera a fost plasată într-un câmp magnetic cu o putere de 3500 gauss; Camera a fost declanșată cu o întârziere de aproximativ 1 secundă, ceea ce a făcut posibilă numărarea picăturilor. Printre un număr mare de fotografii, Street și Stevenson au găsit una de un interes extrem.

Această fotografie arată traseul unei particule cu un impuls de 29 MeV/c, a cărei ionizare este de aproximativ șase ori minim. Această particulă are o sarcină negativă pe măsură ce se mișcă în jos. Judecând după impuls și ionizarea specifică, masa sa este de aproximativ 175 de mase de electroni; eroarea probabilă de 25% se datorează inexactității măsurării ionizării specifice. Rețineți că un electron cu un impuls de 29 MeV/c are practic o ionizare minimă. Pe de altă parte, particulele cu acest impuls și masă de proton (fie un proton obișnuit care se mișcă în sus, fie un proton negativ care se mișcă în jos) au o ionizare specifică care este de aproximativ 200 de ori minima; în plus, intervalul unui astfel de proton în gazul camerei trebuie să fie mai mic de 1 cm. În același timp, urma în cauză este clar vizibilă timp de 7 cm, după care părăsește volumul iluminat

Experimentele descrise mai sus au demonstrat cu siguranță că particulele care pătrund sunt într-adevăr mai grele decât electronii, dar mai ușoare decât protonii. În plus, experimentul lui Street și Stevenson a oferit prima estimare aproximativă a masei acestei noi particule, pe care acum o putem numi prin numele ei comun, mezon.

Deci, în 1936, A. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit muonul (μ-mezon). Această particulă diferă de un electron doar prin masa sa, care este de aproximativ 200 de ori mai mare decât electronul

În 1947 Powell a observat urme de particule încărcate în emulsii fotografice, care au fost interpretate ca mesoni Yukawa și numite mezoni π sau pioni. Produșii de descompunere ai pionilor încărcați, care sunt și particule încărcate, au fost numiți muoni sau muoni. Muonii negativi au fost observați în experimentele lui Conversi: spre deosebire de pioni, muonii, ca și electronii, nu interacționează puternic cu nucleele atomice.

Deoarece muonii cu o energie strict definită s-au format întotdeauna în timpul dezintegrarii pionilor opriți, a rezultat că atunci când π s-a transformat în μ, ar trebui să se formeze încă o particulă neutră (masa sa s-a dovedit a fi foarte aproape de zero). Pe de altă parte, această particulă practic nu interacționează cu materia, așa că s-a ajuns la concluzia că nu poate fi un foton. Astfel, fizicienii se confruntă cu o nouă particulă neutră a cărei masă este zero

Așadar, a fost descoperit un mezon Yukawa încărcat, care se descompune într-un muon și un neutrin. Durata de viață a mezonului π în raport cu această dezintegrare s-a dovedit a fi egală cu 2·10 -8 s. Apoi s-a dovedit că muonul este, de asemenea, instabil, că, ca urmare a dezintegrarii sale, se formează un electron. Durata de viață a muonului s-a dovedit a fi de ordinul a 10 -6 s. Deoarece electronul format în timpul dezintegrarii muonului nu are o energie strict definită, s-a ajuns la concluzia că, împreună cu electronul, se formează doi neutrini în timpul dezintegrarii muonului.

În 1947, tot în raze cosmice, grupul lui S. Powell a descoperit mesonii p+ și p- cu o masă de 274 de mase de electroni, care joacă un rol important în interacțiunea protonilor cu neutronii din nuclee. Existența unor astfel de particule a fost sugerată de H. Yukawa în 1935

Neutrino

Descoperirea neutrinului, o particulă care aproape că nu interacționează cu materia, provine din conjectura teoretică a lui W. Pauli (1930), care a făcut posibilă, prin presupunerea nașterii unei astfel de particule, eliminarea dificultăților cu legea lui conservarea energiei în procesele de dezintegrare beta a nucleelor ​​radioactive. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental abia în 1953 (F. Reines și K. Cowen, SUA)

În timpul dezintegrarii β a nucleelor, așa cum am spus deja, pe lângă electroni, neutrinii zboară și ei. Această particulă a fost pentru prima dată „introdusă” în fizică teoretic. A fost existența neutrinului care a fost postulată de Pauli în 1929, cu mulți ani înainte de descoperirea sa experimentală (1956). Neutrino, o particulă neutră cu masă zero (sau neglijabilă), a fost nevoie de Pauli pentru a salva legea conservării energiei în procesul de dezintegrare β a nucleelor ​​atomice.

Inițial, Pauli a numit particula neutră ipotetică formată în timpul dezintegrarii β a nucleelor ​​neutron (acest lucru a fost înainte de descoperirea lui Chadwick) și a sugerat că face parte din nucleu.

Cât de dificil a fost să ajungi la ipoteza neutrinilor, care se formează chiar în actul dezintegrarii neutronilor, se poate observa cel puțin din faptul că cu doar un an înainte de apariția articolului fundamental al lui Fermi despre proprietățile interacțiunii slabe, cercetătorul a folosit termenul „neutron” într-un raport privind starea actuală a fizicii nucleului atomic.pentru a desemna cele două particule numite acum neutron şi neutrin. „De exemplu, conform propunerii lui Pauli”, spune Fermi, „ar fi posibil să ne imaginăm că în nucleul atomic există neutroni, care ar fi emiși simultan cu particulele β. Acești neutroni ar putea trece prin grosimi mari de materie fără a-și pierde energia și, prin urmare, ar fi practic neobservabili. Existența neutronului, fără îndoială, ar putea explica pur și simplu unele întrebări încă de neînțeles, cum ar fi statisticile nucleelor ​​atomice, momentele intrinseci anormale ale unor nuclee și, de asemenea, poate, natura radiației penetrante. Într-adevăr, când vine vorba de o particulă emisă cu electroni β și slab absorbită de materie, este necesar să se țină cont de neutrin. Se poate concluziona că în 1932 problemele neutronului și neutrinului erau extrem de confuze. A fost nevoie de un an de muncă grea din partea teoreticienilor și experimentatorilor pentru a rezolva atât dificultățile fundamentale, cât și cele terminologice.

„După descoperirea neutronului”, a spus Pauli, „la seminariile de la Roma, Fermi a început să numească noua mea particulă emisă în timpul dezintegrarii β „neutrin” pentru a o distinge de neutronul greu. Acest nume italian a devenit general acceptat”

În anii 1930, teoria lui Fermi a fost generalizată la dezintegrarea pozitronilor (Wick, 1934) și la tranziții cu modificarea momentului unghiular al nucleului (Gamow și Teller, 1937)

„Soarta” unui neutrin poate fi comparată cu „soarta” unui electron. Ambele particule au fost inițial ipotetice - electronul a fost introdus pentru a aduce structura atomică a materiei în conformitate cu legile electrolizei, iar neutrinul a fost introdus pentru a salva legea conservării energiei în procesul de dezintegrare β. Și abia mai târziu au fost descoperite ca reale

În 1962, s-a descoperit că există doi neutrini diferiți: electroni și muoni. În 1964, în dezintegrarea mezonilor K neutri, a fost descoperită așa-numita nonconservare. paritatea combinată (introdusă de Li Tsung-tao și Yang Zhen-ning și independent de L. D. Landau în 1956), ceea ce înseamnă necesitatea revizuirii opiniilor obișnuite asupra comportamentului proceselor fizice în timpul operațiunii de reflectare a timpului

De la ciudățenie la farmec

Descoperirea unor particule ciudate

Sfârșitul anilor 40 - începutul anilor 50. au fost marcate de descoperirea unui grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite „ciudate”. Primele particule din acest grup, mezonii K + - și K -, hiperonii L-, S + -, S- -, X- -, au fost descoperite în raze cosmice, descoperirile ulterioare de particule ciudate au fost făcute la acceleratoare - instalații care creează fluxuri intense de protoni și electroni rapizi. La ciocnirea cu materia, protonii și electronii accelerați dau naștere la noi particule elementare, care devin subiect de studiu.

În 1947, Butler și Rochester au observat două particule, numite particule V, într-o cameră cu nori. S-au observat două urme, parcă ar forma litera latină V. Formarea a două urme a indicat că particulele erau instabile și s-au degradat în altele, mai ușoare. Una dintre particulele V a fost neutră și s-a degradat în două particule încărcate cu sarcini opuse. (Mai târziu a fost identificat cu mezonul K neutru, care se descompune în pioni pozitivi și negativi). Celălalt a fost încărcat și s-a degradat într-o particulă încărcată cu o masă mai mică și o particulă neutră. (Mai târziu a fost identificat cu un mezon K + încărcat, care se descompune în pioni încărcați și neutri)

Particulele V admit, la prima vedere, o altă interpretare: aspectul lor ar putea fi interpretat nu ca o descompunere a particulelor, ci ca un proces de împrăștiere. Într-adevăr, procesele de împrăștiere a unei particule încărcate de către un nucleu cu formarea unei particule încărcate în starea finală, precum și împrăștierea inelastică a unei particule neutre de către un nucleu cu formarea a două particule încărcate, vor arăta la fel în o cameră cu nori ca dezintegrarea particulelor V. Dar o astfel de posibilitate a fost ușor exclusă pe motiv că procesele de împrăștiere sunt mai probabile în mediile mai dense. Și evenimentele V au fost observate nu în plumb, care a fost prezent în camera cu nori, ci direct în camera însăși, care este umplută cu un gaz cu o densitate mai mică (comparativ cu densitatea plumbului)

Rețineți că, dacă descoperirea experimentală a mezonului π a fost într-un fel „așteptată” din cauza necesității de a explica natura interacțiunilor nucleonilor, atunci descoperirea particulelor V, precum descoperirea muonului, s-a dovedit a fi o surpriză completă. .

Descoperirea particulelor V și determinarea celor mai „elementare” caracteristici ale acestora s-au întins pe mai bine de un deceniu. După prima observare a acestor particule în 1947. Rochester și Butler și-au continuat experimentele încă doi ani, dar nu au reușit să observe o singură particulă. Și numai după ce echipamentul a fost ridicat sus în munți, particulele V au fost descoperite din nou, precum și noi particule.

După cum sa dovedit mai târziu, toate aceste observații s-au dovedit a fi observații ale diferitelor dezintegrari ale aceleiași particule - mezonul K (încărcat sau neutru)

„Comportarea” particulelor V la naștere și degradarea ulterioară a dus la faptul că acestea au început să fie numite ciudate

Particulele ciudate au fost obținute pentru prima dată în laborator în 1954. Fowler, Shutt, Thorndike și Whitemore, care, folosind un fascicul de ioni de la cosmotronul Brookhaven cu o energie inițială de 1,5 GeV, au observat reacțiile producției asociative de particule ciudate.

De la începutul anilor 50. acceleratorii au devenit instrumentul principal pentru studiul particulelor elementare. În anii 70. energiile particulelor accelerate la acceleratori s-au ridicat la zeci și sute de miliarde de electron volți (GeV). Dorința de a crește energiile particulelor se datorează faptului că energiile înalte deschid posibilitatea studierii structurii materiei la distanțe mai scurte, cu atât mai mare este energia particulelor care se ciocnesc. Acceleratoarele au crescut semnificativ rata de obținere a datelor noi și, în scurt timp, ne-au extins și ne-au îmbogățit cunoștințele despre proprietățile microlumii. Utilizarea acceleratoarelor pentru a studia particulele ciudate a făcut posibilă studierea mai detaliată a proprietăților acestora, în special a caracteristicilor dezintegrarii lor, și a condus în curând la o descoperire importantă: elucidarea posibilității de a schimba caracteristicile unor microprocese în timpul operațiunii. de reflexie în oglindă – așa-numita. încălcarea spaţiilor, paritate (1956). Punerea în funcțiune a acceleratoarelor de protoni cu energii de miliarde de electroni volți a făcut posibilă descoperirea de antiparticule grele: antiprotonul (1955), antineutronul (1956) și hiperonii antisigma (1960). În 1964, a fost descoperit cel mai greu hiperon W- (cu o masă de aproximativ două mase de protoni)

Rezonanțe.

În anii 1960 la acceleratoare au fost descoperite un număr mare de particule extrem de instabile (comparativ cu alte particule elementare instabile), care au fost numite „rezonanțe”. Masele majorității rezonanțelor depășesc masa protonului. Primul dintre ele D1 (1232) este cunoscut din 1953. S-a dovedit că rezonanța constituie partea principală a particulelor elementare.

Interacțiunea puternică a unui π-mezon și a unui nucleon într-o stare cu un spin izotopic total 3/2 și un impuls 3/2 duce la apariția unei stări excitate a nucleonului. Această stare într-un timp foarte scurt (de ordinul a 10 -23 s) se descompune într-un nucleon și un mezon π. Deoarece această stare are numere cuantice bine definite, precum și particule elementare stabile, era firesc să o numim o particulă. Pentru a sublinia durata de viață foarte scurtă a acestei stări, ea și stările similare de scurtă durată au început să fie numite rezonante.

Rezonanța nucleoană, descoperită de Fermi în 1952, a fost numită mai târziu izobară ∆ 3/2 3/2 (pentru a evidenția faptul că spinul și spinul izotopic al ∆-izobarului sunt 3/2). Întrucât durata de viață a rezonanțelor este nesemnificativă, acestea nu pot fi observate direct, la fel ca protonii, mezonii π și muonii „obișnuiți” (prin urmele lor în dispozitivele de urmărire). Rezonanțele sunt detectate prin comportamentul caracteristic al secțiunilor transversale de împrăștiere a particulelor, precum și prin studierea proprietăților produselor lor de degradare. Majoritatea particulelor elementare cunoscute aparțin grupului de rezonanțe

Descoperirea rezonanței Δ a fost de mare importanță pentru fizica particulelor elementare

Rețineți că stările excitate sau rezonanțe nu sunt obiecte absolut noi ale fizicii. Anterior, ele erau cunoscute în fizica atomică și nucleară, unde existența lor este asociată cu natura compozită a atomului (format din nucleu și electroni) și a nucleului (format din protoni și neutroni). În ceea ce privește proprietățile stărilor atomice, acestea sunt determinate doar de interacțiunea electromagnetică. Probabilitățile scăzute de dezintegrare a acestora sunt asociate cu micimea constantei de interacțiune electromagnetică

Stările excitate există nu numai pentru nucleon (în acest caz se vorbește despre stările lui izobare), ci și pentru mezonul π (în acest caz se vorbește despre rezonanțe mezonice)

„Motivul apariției rezonanțelor în interacțiunile puternice este de neînțeles”, scrie Feynman, „la început, teoreticienii nu au presupus că rezonanțe există în teoria câmpului cu o constantă mare de interacțiune. Mai târziu, au realizat că, dacă constanta de interacțiune este suficient de mare, atunci apar stări izobare. Cu toate acestea, adevărata semnificație a faptului existenței rezonanțelor pentru teoria fundamentală rămâne neclară.

Particule „fermecate”.

La sfârşitul anului 1974 două grupuri de experimentatori (grupul lui Ting de la acceleratorul de protoni Brookhaven și grupul lui B. Richter, care au lucrat la instalația cu fascicule electroni-pozitroni care se ciocnesc de la Stanford) au făcut simultan cea mai importantă descoperire din fizica particulelor elementare: au descoperit o nouă particulă - rezonanța cu o masă egală cu 3,1 GeV (depășind trei mase de protoni)

Cea mai surprinzătoare proprietate a acestei rezonanțe a fost lățimea sa mică de dezintegrare - este de numai 70 keV, ceea ce corespunde unei durate de viață de aproximativ 10 -23 s.

Explicația general acceptată a naturii ψ-mezonilor se bazează pe ipoteza existenței unui al patrulea, c-quark, împreună cu „standard” trei cuarcuri u, d și s. Cuarcul c diferă de quarcurile cunoscute anterior prin valoarea unui nou număr cuantic, numit farmec. Prin urmare, c-quark a fost numit charm - sau charmed - quark.

În 1974, au fost descoperite și alte particule masive (3-4 mase de protoni) și, în același timp, relativ stabile, cu o durată de viață neobișnuit de lungă pentru rezonanțe. S-au dovedit a fi strâns legate de o nouă familie de particule elementare - „fermecate”, primii reprezentanți (D0, D+, Lc) au fost descoperiți în 1976. În 1975, au fost obținute primele informații despre existența unei greutăți grele. analog al electronului și muonului (leptonul greu t)

Ting și Richter au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1976 pentru descoperirea particulelor ψ.

În 1977 S-au descoperit mezoni neutri mai grei (comparativ cu particulele ψ) cu mase de ordinul a 10 GeV, i.e. de peste zece ori mai greu decât nucleonii. Ca și în cazul ψ-mezonilor, acești mezoni, numiți mezoni „upsilon”, au fost observați în reacția de producere a perechilor de muoni în ciocnirile proton-nuclear.

Concluzie

Astfel, de-a lungul anilor care au trecut de la descoperirea electronului, au fost dezvăluite un număr imens de diverse microparticule de materie. Toate particulele elementare sunt caracterizate de dimensiuni excepțional de mici: dimensiunile liniare ale unui nucleon și ale unui pion sunt de aproximativ 10 -15 m. Teoria prezice că dimensiunea unui electron ar trebui să fie de ordinul a 10 -19 m.

Masa marii majorități a particulelor este comparabilă cu masa unui proton, care în unități de energie este aproape de 1 GeV (1000 MeV)

Lumea particulelor elementare s-a dovedit a fi destul de complicată. Proprietățile particulelor elementare descoperite s-au dovedit a fi neașteptate în multe privințe. Pentru a le descrie, pe lângă caracteristicile împrumutate din fizica clasică, cum ar fi sarcina electrică, masa, momentul unghiular, a fost necesar să se introducă multe caracteristici speciale noi, în special, pentru a descrie particulele elementare ciudate - ciudățenia (K. Nishijima, M. . Gell-Man, 1953), particule elementare „fermecate” - „farmec” (fizicienii americani J. Bjorken, S. Glashow, 1964); deja denumirile caracteristicilor date reflectă natura neobișnuită a proprietăților particulelor elementare descrise de acestea

Studiul structurii interne a materiei și al proprietăților particulelor elementare încă de la primii pași a fost însoțit de o revizuire radicală a multor concepte și idei consacrate. Legile care guvernează comportamentul materiei în mic s-au dovedit a fi atât de diferite de legile mecanicii clasice și ale electrodinamicii, încât au necesitat construcții teoretice complet noi pentru descrierea lor.

Studiul structurii interne a materiei și al proprietăților particulelor elementare încă de la primii pași a fost însoțit de o revizuire radicală a multor concepte și idei consacrate. Regularitățile care guvernează comportamentul materiei în mic s-au dovedit a fi atât de diferite de regularitățile mecanicii și electrodinamicii clasice, încât au necesitat construcții teoretice complet noi pentru descrierea lor. Astfel de construcții fundamentale noi în teorie au fost relativitatea privată (specială) și generală (A. Einstein, 1905 și 1916; teoria relativității, gravitația) și mecanica cuantică (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born). Teoria relativității și mecanica cuantică au marcat o adevărată revoluție în știința naturii și au pus bazele descrierii fenomenelor microlumii. Cu toate acestea, pentru a descrie procesele care au loc cu particulele elementare, mecanica cuantică s-a dovedit a fi insuficientă. A urmat pasul următor - cuantizarea câmpurilor clasice (așa-numita cuantizare secundară) și dezvoltarea teoriei câmpurilor cuantice. Cele mai importante etape pe calea dezvoltării sale au fost: formularea electrodinamicii cuantice (P. Dirac, 1929), teoria cuantică a dezintegrarii b (E. Fermi, 1934), care a pus bazele teoriei moderne a slabului. interacțiuni, mezodinamică cuantică (Yukawa, 1935). Predecesorul imediat al acestuia din urmă a fost așa-zisul. b-teoria forțelor nucleare (I. E. Tamm, D. D. Ivanenko, 1934; Strong interactions). Această perioadă s-a încheiat cu crearea unui aparat de calcul consistent pentru electrodinamica cuantică (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), bazat pe utilizarea tehnicilor de renormalizare (Teoria Câmpului Cuantic). Această tehnică a fost ulterior generalizată la alte versiuni ale teoriei câmpurilor cuantice.

Teoria cuantică a câmpului continuă să se dezvolte și să se îmbunătățească și stă la baza descrierii interacțiunilor particulelor elementare. Această teorie are o serie de succese semnificative și, totuși, este încă foarte departe de a fi completă și nu poate pretinde rolul unei teorii cuprinzătoare a particulelor elementare. Originea multor proprietăți ale particulelor elementare și natura interacțiunilor lor inerente rămân în mare parte neclare. Este posibil ca mai mult de o restructurare a tuturor reprezentărilor și o înțelegere mult mai profundă a relației dintre proprietățile microparticulelor și proprietățile geometrice ale spațiului-timp să fie necesare înainte ca teoria particulelor elementare să fie construită.

Literatură

Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Biografia particulelor elementare. -K.: Naukova Dumka, 1983

Dorfman Ya.G. Istoria mondială a fizicii de la începutul secolului al XIX-lea până la mijlocul secolului al XX-lea. -M.: 1979

Zisman G.A., Todes O.M. Curs de fizica generala. -K.: Ed. Edelweiss, 1994

Kaempfer F. Calea către fizica modernă. -M.: 1972

Kreychi. Lumea prin ochii fizicii moderne. -M.: Mir, 1974

Myakishev G.Ya. Particule elementare. -M.: Iluminismul, 1977

Pasichny A.P. Fizica particulelor elementare. -K.: Școala Vishcha, 1980

Saveliev I.V. curs de fizica. -M.: Nauka, 1989

Noțiunea că lumea este formată din particule fundamentale are o istorie lungă. Pentru prima dată, ideea existenței celor mai mici particule invizibile care alcătuiesc toate obiectele din jur a fost exprimată cu 400 de ani înaintea erei noastre de către filozoful grec Democrit. El a numit aceste particule atomi, adică particule indivizibile. Știința a început să folosească conceptul de atomi abia la începutul secolului al XIX-lea, când a fost posibil să explice o serie de fenomene chimice pe această bază. În anii 30 ai secolului al XIX-lea, în teoria electrolizei dezvoltată de M. Faraday, a apărut conceptul de ion și s-a măsurat sarcina elementară. Dar pe la mijlocul secolului al XIX-lea, au început să apară fapte experimentale care pun la îndoială ideea indivizibilității atomilor. Rezultatele acestor experimente au sugerat că atomii au o structură complexă și că conțin particule încărcate electric. Acest lucru a fost confirmat de fizicianul francez Henri Becquerel, care a descoperit în 1896 fenomenul radioactivității.

Aceasta a fost urmată de descoperirea primei particule elementare de către fizicianul englez Thomson în 1897. A fost un electron care a dobândit în cele din urmă statutul de obiect fizic real și a devenit prima particulă elementară cunoscută din istoria omenirii. Masa sa este de aproximativ 2000 de ori mai mică decât masa unui atom de hidrogen și este egală cu:

m = 9,11*10^(-31) kg.

Sarcina electrică negativă a unui electron se numește elementară și este egală cu:

e = 0,60*10^(-19) CI.

O analiză a spectrelor atomice arată că spinul unui electron este 1/2, iar momentul său magnetic este egal cu un magneton Bohr. Electronii se supun statisticilor Fermi deoarece au un spin pe jumătate întreg. Acest lucru este de acord cu datele experimentale privind structura atomilor și comportamentul electronilor în metale. Electronii participă la interacțiuni electromagnetice, slabe și gravitaționale.

A doua particulă elementară descoperită a fost protonul (din grecescul protos - primul). Această particulă elementară a fost descoperită în 1919 de Rutherford în timp ce studia produsele de fisiune ale nucleelor ​​atomice ale diferitelor elemente chimice. Într-un sens literal, un proton este nucleul unui atom al celui mai ușor izotop de hidrogen - protiu. Spinul protonului este 1/2. Protonul are o sarcină elementară pozitivă +e. Masa sa este:

m = 1,67*10^(-27) kg.

sau aproximativ 1836 de mase de electroni. Protonii fac parte din nucleele tuturor atomilor elementelor chimice. După aceea, în 1911, Rutherford a propus un model planetar al atomului, care a ajutat oamenii de știință în studiile ulterioare ale compoziției atomilor.

În 1932, J. Chadwick a descoperit a treia particulă elementară, neutronul (din latină neuter - nici una, nici alta), care nu are sarcină electrică și are o masă de aproximativ 1839 de mase de electroni. Spinul neutronilor este, de asemenea, 1/2.

Concluzia despre existența unei particule de câmp electromagnetic - un foton - provine din lucrarea lui M. Planck (1900). Presupunând că energia radiației electromagnetice a unui corp absolut negru este cuantificată (adică este formată din cuante), Planck a obținut formula corectă pentru spectrul radiațiilor. Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein (1905) a postulat că radiația electromagnetică (lumina) este de fapt un flux de cuante individuale (fotoni) și pe această bază a explicat legile efectului fotoelectric. Dovada experimentală directă a existenței fotonului a fost dată de R. Millikan în 1912-1915 și de A. Compton în 1922.

Descoperirea neutrinului, o particulă care interacționează greu cu materia, provine din conjectura teoretică a lui W. Pauli din 1930, care a făcut posibilă, prin presupunerea nașterii unei astfel de particule, eliminarea dificultăților legate de legea conservării energiei. în procesele de dezintegrare beta a nucleelor ​​radioactive. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental abia în 1953 de F. Reines și K. Cowen.

Dar substanța constă nu numai din particule. Există, de asemenea, antiparticule - particule elementare care au aceeași masă, spin, durata de viață și alte caracteristici interne ca și particulele lor „gemene”, dar diferă de particule în semne de sarcină electrică și moment magnetic, sarcină barionică, sarcină leptonică, ciudățenie etc. Toate particulele elementare, cu excepția celor absolut neutre, au propriile lor antiparticule.

Prima antiparticulă descoperită a fost pozitronul (din latină positivus - pozitiv) - o particulă cu o masă de electroni, dar o sarcină electrică pozitivă. Această antiparticulă a fost descoperită în razele cosmice de către fizicianul american Carl David Anderson în 1932. Interesant este că existența pozitronului a fost prezisă teoretic de către fizicianul englez Paul Dirac cu aproape un an înainte de descoperirea experimentală. Mai mult, Dirac a prezis așa-numitele procese de anihilare (dispariție) și nașterea unei perechi electron-pozitron. Anihilarea perechilor în sine este unul dintre tipurile de transformări ale particulelor elementare care au loc atunci când o particulă se ciocnește cu o antiparticulă. În timpul anihilării, particula și antiparticula dispar, transformându-se în alte particule, al căror număr și tip sunt limitate de legile de conservare. Procesul invers al anihilării este nașterea unei perechi. Pozitronul în sine este stabil, dar în materie, din cauza anihilării cu electroni, există un timp foarte scurt. Anihilarea unui electron și a unui pozitron este că atunci când se întâlnesc, dispar, transformându-se în γ- cuante (fotoni). Și în cazul unei coliziuni γ- un cuantic cu un nucleu masiv, se naște o pereche electron-pozitron.

În 1955, a fost descoperită o altă antiparticulă - antiprotonul, iar puțin mai târziu - antineutronul. Antineutronul, ca și neutronul, nu are sarcină electrică, dar aparține, fără îndoială, antiparticulelor, deoarece participă la procesul de anihilare și nașterea unei perechi neutron-antineutron.

Posibilitatea de a obține antiparticule a condus oamenii de știință la ideea de a crea antimaterie. Atomii de antimaterie ar trebui construiți în așa fel: în centrul atomului există un nucleu încărcat negativ, format din antiprotoni și antineutroni, iar pozitronii cu sarcină pozitivă se învârt în jurul nucleului. În general, atomul se dovedește și el neutru. Această idee a primit o confirmare experimentală strălucitoare. În 1969, la acceleratorul de protoni din orașul Serpuhov, fizicienii sovietici au obținut nucleele atomilor de antiheliu. Tot în 2002, 50.000 de atomi de antihidrogen au fost produși la acceleratorul CERN din Geneva. Dar, în ciuda acestui fapt, acumulări de antimaterie în Univers nu au fost încă descoperite. De asemenea, devine clar că la cea mai mică interacțiune a antimateriei cu orice substanță, va avea loc anihilarea lor, care va fi însoțită de o eliberare uriașă de energie, de câteva ori mai mare decât energia nucleelor ​​atomice, care este extrem de nesigură pentru oameni și mediu. .

În prezent, au fost descoperite experimental antiparticule ale aproape tuturor particulelor elementare cunoscute.

Un rol important în fizica particulelor elementare îl au legile de conservare care stabilesc egalitatea între anumite combinații de mărimi care caracterizează starea inițială și cea finală a sistemului. Arsenalul legilor de conservare în fizica cuantică este mai mare decât în ​​fizica clasică. Ea a fost completată de legile de conservare a diverselor parități (spațiale, de încărcare), încărcături (lepton, barion etc.), simetrii interne inerente unuia sau altui tip de interacțiune.

Identificarea caracteristicilor particulelor subatomice individuale este o etapă importantă, dar doar inițială, în cunoașterea lumii lor. În etapa următoare, este încă necesar să înțelegem care este rolul fiecărei particule individuale, care sunt funcțiile sale în structura materiei.

Fizicienii au descoperit că, în primul rând, proprietățile unei particule sunt determinate de capacitatea (sau incapacitatea) de a participa la o interacțiune puternică. Particulele care participă la interacțiunea puternică formează o clasă specială și se numesc hadroni. Particulele care participă la interacțiunea slabă și nu participă la cea puternică se numesc leptoni. În plus, există particule de interacțiune purtătoare.

Leptoni.

Leptonii sunt considerați a fi adevărate particule elementare. Deși leptonii pot avea sau nu o sarcină electrică, toți au o rotație de 1/2. Dintre leptoni, cel mai faimos este electronul. Electronul este prima dintre particulele elementare descoperite. Ca toți ceilalți leptoni, electronul, aparent, este un obiect elementar (în sensul propriu al cuvântului). Din câte știm, electronul nu este format din alte particule.

Un alt lepton binecunoscut este neutrino. Neutrinii sunt cele mai comune particule din univers. Universul poate fi imaginat ca o mare de neutrini fără limite, în care se găsesc ocazional insule sub formă de atomi. Dar, în ciuda unei astfel de prevalențe a neutrinilor, este foarte dificil să le studiezi. După cum am observat, neutrinii sunt aproape evazivi. Neparticipând nici la interacțiuni puternice sau electromagnetice, ele pătrund în materie ca și cum ea nu ar exista deloc. Neutrinii sunt niște „fantome ale lumii fizice”.

Muonii sunt destul de răspândiți în natură, reprezentând o parte semnificativă a radiațiilor cosmice. În multe privințe, muonul seamănă cu un electron: are aceeași sarcină și spin, participă la acele interacțiuni, dar are o masă mare (aproximativ 207 mase de electroni) și este instabil. În aproximativ două milioane de secundă, un muon se descompune într-un electron și doi neutrini. La sfârșitul anilor 1970, a fost descoperit un al treilea lepton încărcat, care a fost numit „leptonul tau”. Aceasta este o particulă foarte grea. Masa sa este de aproximativ 3500 de mase de electroni. Dar în toate celelalte privințe se comportă ca un electron și un muon.

În anii 1960, lista leptonilor sa extins considerabil. S-a constatat că există mai multe tipuri de neutrini: neutrini electronici, neutrini muoni și neutrini tau. Astfel, numărul total de varietăți de neutrini este de trei, iar numărul total de leptoni este de șase. Desigur, fiecare lepton are propria sa antiparticulă; astfel numărul total de leptoni diferiți este de doisprezece. Leptonii neutri participă doar la interacțiunea slabă; încărcat - în cel slab și electromagnetic. Toți leptonii participă la interacțiunea gravitațională, dar nu sunt capabili de cei puternici.

Hadronele.

Dacă există puțin peste o duzină de leptoni, atunci sunt sute de hadroni. O astfel de multitudine de hadroni sugerează că hadronii nu sunt particule elementare, ci sunt construite din particule mai mici. Toți hadronii se găsesc în două soiuri - încărcați electric și neutru. Dintre hadroni, neutronul și protonul sunt cele mai cunoscute și răspândite, care la rândul lor aparțin clasei nucleonilor. Hadronii rămași sunt de scurtă durată și se descompun rapid. Hadronii participă la toate interacțiunile fundamentale. Ele sunt împărțite în barioni și mezoni. Barionii includ nucleoni și hiperonii.

Pentru a explica existența forțelor nucleare de interacțiune între nucleoni, teoria cuantică a necesitat existența unor particule elementare speciale cu o masă mai mare decât masa unui electron, dar mai mică decât masa unui proton. Aceste particule prezise de teoria cuantică au fost numite mai târziu mezoni. Mezonii au fost descoperiți experimental. S-au dovedit a fi o familie întreagă. Toate s-au dovedit a fi particule instabile de scurtă durată care trăiesc în stare liberă în miliarde de secundă. De exemplu, un mezon sau pion pi încărcat are o masă în repaus de 273 de mase de electroni și o viață:

t = 2,6*10^(-8) s.

Mai mult, în studiile la acceleratoarele de particule încărcate, au fost descoperite particule cu mase care depășesc masa unui proton. Aceste particule au fost numite hiperoni. S-au găsit chiar mai mult decât mezoni. Familia de hiperoni include: lambda-, sigma-, xy- și omega-minus-hiperoni.

Existența și proprietățile majorității hadronilor cunoscuți au fost stabilite în experimente pe acceleratoare. Descoperirea multor hadroni diferiți în anii 1950 și 1960 i-a nedumerit extrem de nedumerit pe fizicieni. Dar, de-a lungul timpului, hadronii au fost clasificați în funcție de masă, sarcină și spin. Treptat, a început să iasă la iveală o imagine mai mult sau mai puțin clară. Au apărut idei concrete despre modul de sistematizare a haosului datelor empirice, pentru a dezvălui secretul hadronilor în teoria științifică. Pasul decisiv aici a fost făcut în 1963, când a fost propusă teoria quarcilor.

Teoria quarcilor.

Teoria quarcilor este teoria structurii hadronilor. Ideea de bază a acestei teorii este foarte simplă. Toți hadronii sunt construiți din particule mai mici numite quarci. Aceasta înseamnă că quarcii sunt mai multe particule elementare decât hadronii. Quarcii sunt particule ipotetice, deoarece nu au fost observate în stare liberă. Sarcina barionică a quarcilor este de 1/3. Ei poartă o sarcină electrică fracționată: au o sarcină care este fie -1/3, fie +2/3 din unitatea fundamentală, sarcina electronului. O combinație de doi și trei quarci poate avea o sarcină totală egală cu zero sau unu. Toți quarcii au spin S, deci sunt fermioni. Fondatorii teoriei quarcilor Gell-Mann și Zweig, pentru a ține cont de toți hadronii cunoscuți în anii 60, au introdus trei tipuri (culori) de quarci: u (de sus - sus), d (de jos - jos) și s (de la ciudat - ciudat) .

Quarcii se pot combina între ei într-unul din două moduri posibile: fie în tripleți, fie în perechi quarc-antiquarc. Particulele relativ grele - barionii - sunt compuse din trei quarci. Cei mai cunoscuți barioni sunt neutronul și protonul. Perechile quarc-antiquarc mai ușoare formează particule numite mezoni - „particule intermediare”. De exemplu, un proton este format din doi cuarci u și un cuarc d (uud), în timp ce un neutron este format din doi cuarcuri d și un cuarc u (udd). Pentru ca acest „trio” de quarci să nu se degradeze, este nevoie de o forță care îi ține, un fel de „clei”.

S-a dovedit că interacțiunea rezultată dintre neutroni și protoni din nucleu este pur și simplu un efect rezidual al unei interacțiuni mai puternice între quarci înșiși. Aceasta a explicat de ce forța puternică pare atât de complicată. Când un proton „se lipește” de un neutron sau de un alt proton, în interacțiune sunt implicați șase quarci, fiecare dintre care interacționează cu toți ceilalți. O parte semnificativă a forțelor este cheltuită pentru lipirea puternică a unui trio de quarci, iar o mică parte este cheltuită pentru legarea a două triouri de quarci unul cu celălalt. Dar mai târziu s-a dovedit că quarkurile participă și ei la interacțiunea slabă. Forța slabă poate schimba culoarea unui quarc. Acesta este modul în care se produce dezintegrarea neutronilor. Unul dintre cuarcurile d din neutron se transformă într-un cuarc u, iar sarcina în exces duce electronul care se naște în același timp. În mod similar, prin schimbarea aromei, interacțiunea slabă duce la descompunerea altor hadroni.

Faptul că toți hadronii cunoscuți pot fi obținuți din diferite combinații ale celor trei particule de bază a fost un triumf pentru teoria quarcilor. Dar în anii 1970 au fost descoperiți noi hadroni (particule psi, meson upsilon etc.). Aceasta a dat o lovitură primei versiuni a teoriei quarcilor, deoarece nu era loc pentru o singură particule nouă în ea. Toate combinațiile posibile de quarci și antiquarcii lor au fost deja epuizate.

Problema a fost rezolvată prin introducerea a trei culori noi. Au primit numele - c - quark (farmec - farmec), b - quark (de jos - jos și, mai des, frumusețe - frumusețe sau farmec), iar ulterior a fost introdusă o altă culoare - t (de sus - sus).

Până în prezent, quarci și antiquarci liberi nu au fost observați. Cu toate acestea, practic nu există nicio îndoială cu privire la realitatea existenței lor. Mai mult, sunt în curs de desfășurare căutări pentru particule elementare „reale” care urmează quarcilor – gluoni, care sunt purtători de interacțiuni între quarci, deoarece Cuarcii sunt ținuți împreună printr-o interacțiune puternică, iar gluonii (încărcăturile de culoare) sunt purtători ai interacțiunii puternice. Domeniul fizicii particulelor elementare care studiază interacțiunea quarcilor și gluonilor se numește cromodinamică cuantică. Așa cum electrodinamica cuantică este teoria interacțiunii electromagnetice, tot așa și cromodinamica cuantică este teoria interacțiunii puternice. Cromodinamica cuantică este o teorie cuantică a câmpului a interacțiunii puternice dintre quarci și gluoni, care se realizează prin schimbul între ei - gluoni (analogi ai fotonilor în electrodinamica cuantică). Spre deosebire de fotoni, gluonii interacționează între ei, ceea ce duce, în special, la o creștere a puterii interacțiunii dintre quarci și gluoni pe măsură ce se îndepărtează unul de celălalt. Se presupune că această proprietate determină acțiunea scurtă a forțelor nucleare și absența quarcilor și gluonilor liberi în natură.

Conform conceptelor moderne, hadronii au o structură internă complexă: barionii constau din 3 quarci, mezoni - dintr-un quarc și un antiquarc.

Deși există o oarecare nemulțumire cu schema de quarci, majoritatea fizicienilor consideră quarcurile ca fiind particule cu adevărat elementare - punctiforme, indivizibile și fără structură internă. În această privință, ei seamănă cu leptonii și s-a presupus de mult timp că trebuie să existe o relație profundă între aceste două familii distincte, dar similare structural.

Astfel, cel mai probabil număr de particule cu adevărat elementare (excluzând purtătorii interacțiunilor fundamentale) la sfârșitul secolului XX este de 48. Dintre acestea: leptoni (6x2) = 12 și quarci (6x3)x2 = 36.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

INSTITUTUL DE FRONTIERĂ KALININGRAD AL SERVICIULUI FEDERAL DE SECURITATE AL FEDERATIEI RUSE

CENTRUL DE EDUCAȚIE SUPLIMENTARĂ ȘI PROFESIONALĂ

prin disciplina

„Conceptul de științe naturale moderne”

„Istoria descoperirii particulelor elementare”

Conţinut

• Introducere
• Electron
• Foton
• Proton
• Neutroni
• Pozitron
• Neutrino
• Descoperirea unor particule ciudate
• Particule „încântătoare”.
• Concluzie
• Lista literaturii folosite

Introducere

Particulele elementare în sensul exact al acestui termen sunt particule primare, în continuare necompuse, din care, prin presupunere, constă toată materia. Conceptul de particule elementare din fizica modernă exprimă ideea de entități primitive care determină toate proprietățile cunoscute ale lumii materiale, idee care a apărut în etapele incipiente ale formării științelor naturale și a jucat întotdeauna un rol important în dezvoltarea acesteia. .

Existența particulelor elementare a fost descoperită de fizicieni în studiul proceselor nucleare, prin urmare, până la mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor elementare a fost o ramură a fizicii nucleare. În prezent, fizica particulelor elementare și fizica nucleară sunt ramuri apropiate, dar independente ale fizicii, unite prin comunitatea multor dintre problemele luate în considerare și prin metodele de cercetare utilizate. Sarcina principală a fizicii particulelor elementare este studiul naturii, proprietăților și transformărilor reciproce ale particulelor elementare.

Descoperirea particulelor elementare a fost un rezultat firesc al progresului general în studiul structurii materiei, realizat de fizică la sfârșitul secolului al XIX-lea. A fost pregătit prin studii cuprinzătoare ale spectrelor optice ale atomilor, studiul fenomenelor electrice în lichide și gaze, descoperirea fotoelectricității, razelor X, radioactivitatea naturală, care au mărturisit existența unei structuri complexe a materiei.

În anii 1960 și 1970, fizicienii au fost complet uluiți de abundența, varietatea și neobișnuirea particulelor subatomice nou descoperite. Părea să nu aibă sfârșit. Este complet de neînțeles de ce atâtea particule. Sunt aceste particule elementare fragmente haotice și aleatorii de materie? Sau poate dețin cheia înțelegerii structurii universului? Dezvoltarea fizicii în următoarele decenii a arătat că nu există nicio îndoială cu privire la existența unei astfel de structuri.

Conceptul de „particule elementare” a fost format în strânsă legătură cu stabilirea naturii discrete a structurii materiei la nivel microscopic.toate substanțele cunoscute ca combinații ale unui număr finit, deși mare, de componente structurale - atomi.Rezvăluind în În viitor, prezența constituenților constituenți ai atomilor - electroni și nuclee, stabilirea naturii complexe a nucleelor, care s-a dovedit a fi construită din doar două tipuri de particule (protoni și neutroni), a redus semnificativ numărul de elemente discrete care formează proprietățile materiei și a dat motive să presupunem că lanțul de părți constitutive ale materiei se termină cu formațiuni discrete fără structură - particule elementare.O astfel de presupunere, în general, este o extrapolare a faptelor cunoscute și nu poate fi fundamentată riguros. Tew pentru a afirma că particulele care sunt elementare în sensul definiției de mai sus există. De exemplu, protonii și neutronii, care pentru o lungă perioadă de timp au fost considerate particule elementare, după cum sa dovedit, au o structură complexă. Este posibil ca succesiunea componentelor structurale ale materiei să fie fundamental infinită. Existența particulelor elementare este un fel de postulat, iar verificarea validității sale este una dintre cele mai importante sarcini ale fizicii.

Istoria descoperirii particulelor elementare

Noțiunea că lumea este formată din particule fundamentale are o istorie lungă. Pentru prima dată, ideea existenței celor mai mici particule invizibile care alcătuiesc toate obiectele din jur a fost exprimată cu 400 de ani înaintea erei noastre de către filozoful grec Democrit. El a numit aceste particule atomi, adică particule indivizibile. Știința a început să folosească conceptul de atomi abia la începutul secolului al XIX-lea, când a fost posibil să explice o serie de fenomene chimice pe această bază. În anii 30 ai secolului al XIX-lea, în teoria electrolizei dezvoltată de M. Faraday, a apărut conceptul de ion și s-a măsurat sarcina elementară. Sfârșitul secolului al XIX-lea a fost marcat de descoperirea fenomenului radioactivității (A. Becquerel, 1896), precum și de descoperirea electronilor (J. Thomson, 1897) și a particulelor b (E. Rutherford, 1899). În 1905, în fizică, a apărut o idee despre cuantele câmpului electromagnetic - fotonii (A. Einstein).

În 1911 a fost descoperit nucleul atomic (E. Rutherford) și s-a dovedit în cele din urmă că atomii au o structură complexă. În 1919, Rutherford a descoperit protoni în produsele de fisiune ale nucleelor ​​atomilor unui număr de elemente. În 1932, J. Chadwick a descoperit neutronul. A devenit clar că nucleele atomilor, ca și atomii înșiși, au o structură complexă. A apărut teoria proton-neutron a structurii nucleelor ​​(D.D. Ivanenko și V. Heisenberg). În același an, 1932, pozitronul a fost descoperit în raze cosmice (K. Anderson). Un pozitron este o particulă încărcată pozitiv care are aceeași masă și aceeași sarcină (modulo) ca un electron. Existența pozitronului a fost prezisă de P. Dirac în 1928. În acești ani, transformările reciproce ale protonilor și neutronilor au fost descoperite și studiate și a devenit clar că aceste particule nu sunt, de asemenea, „cărămizi” elementare neschimbate ale naturii. În 1937, în razele cosmice au fost descoperite particule cu o masă de 207 mase de electroni, numite muoni (m-mezoni). Apoi, în 1947-1950, au fost descoperiți pioni (adică p-mezoni) care, conform conceptelor moderne, realizează interacțiunea dintre nucleonii din nucleu. În anii următori, numărul de particule nou descoperite a început să crească rapid. Acest lucru a fost facilitat de studiul razelor cosmice, dezvoltarea tehnologiei acceleratoarelor și studiul reacțiilor nucleare.

În prezent, sunt cunoscute aproximativ 400 de particule subnucleare, care sunt denumite în mod obișnuit elementare. Marea majoritate a acestor particule sunt instabile. Singurele excepții sunt fotonii, electronii, protonii și neutrinii. Toate celelalte particule suferă transformări spontane în alte particule la anumite intervale. Particulele elementare instabile diferă puternic unele de altele în timpul vieții. Particula cu cea mai lungă viață este neutronul. Durata de viață a neutronilor este de aproximativ 15 minute. Alte particule „trăiesc” pentru un timp mult mai scurt. De exemplu, durata medie de viață a unui m-mezon este de 2,2·10 - 6 s, iar cea a unui p-mezon neutru este de 0,87·10 - 16 s. Multe particule masive - hiperonii au o durată medie de viață de ordinul a 10 - 10 s.

Există câteva zeci de particule cu o durată de viață care depășește 10 - 17 s. În ceea ce privește amploarea microcosmosului, acesta este un moment semnificativ. Astfel de particule sunt numite relativ stabile. Majoritatea particulelor elementare cu viață scurtă au durate de viață de ordinul 10 - 22 -10 - 23 s.

Capacitatea de transformări reciproce este cea mai importantă proprietate a tuturor particulelor elementare. Particulele elementare sunt capabile să se nască și să fie distruse (emise și absorbite). Acest lucru se aplică și particulelor stabile, cu singura diferență că transformările particulelor stabile nu au loc spontan, ci la interacțiunea cu alte particule. Un exemplu este anihilarea (adică dispariția) unui electron și a unui pozitron, însoțită de nașterea fotonilor de înaltă energie. Procesul invers poate apărea și - nașterea unei perechi electron-pozitron, de exemplu, în ciocnirea unui foton cu o energie suficient de mare cu un nucleu. Un geamăn atât de periculos, așa cum este pozitronul pentru electron, are și protonul. Se numește antiproton. Sarcina electrică a antiprotonului este negativă. În prezent, s-au găsit antiparticule în toate particulele. Antiparticulele sunt opuse particulelor deoarece atunci când orice particulă se întâlnește cu antiparticula ei, ele se anihilează, adică ambele particule dispar, transformându-se în cuante de radiație sau alte particule.

Chiar și neutronul are o antiparticulă. Neutronul și antineutronul diferă doar prin semnele momentului magnetic și așa-numita sarcină barionică. Existența atomilor de antimaterie este posibilă, ale căror nuclei constau din antinucleoni, iar învelișul - din pozitroni. În timpul anihilării antimateriei cu materie, energia de repaus este convertită în energia cuantelor de radiație. Aceasta este o energie uriașă, mult mai mare decât cea eliberată în reacțiile nucleare și termonucleare.

În varietatea de particule elementare cunoscute până în prezent, se găsește un sistem de clasificare mai mult sau mai puțin armonios.

Particulele elementare sunt grupate în trei grupe: fotoni, leptoni și hadroni.

Grupul de fotoni include singura particulă - fotonul, care este purtătorul interacțiunii electromagnetice.

Următorul grup este format din particule ușoare de lepton. Acest grup include două tipuri de neutrini (electronici și muoni), electroni și m-mezon.

Al treilea grup mare este format din particule grele numite hadroni. Acest grup este împărțit în două subgrupe. Particulele mai ușoare formează un subgrup de mezoni. Cei mai ușori dintre ei sunt încărcați pozitiv și negativ, precum și p-mezonii neutri cu mase de ordinul a 250 de mase de electroni. Pionii sunt cuante ale câmpului nuclear, la fel cum fotonii sunt cuante ale câmpului electromagnetic. Acest subgrup include, de asemenea, patru mezoni K și un mezon Z0. Toți mezonii au spin egal cu zero.

Al doilea subgrup - barionii - include particule mai grele. Este cel mai extins. Cei mai ușori dintre barioni sunt nucleonii - protoni și neutroni. Ele sunt urmate de așa-numiții hiperoni. Omega-minus-hyperon, descoperit în 1964, închide tabelul.

Abundența de hadroni descoperiți și recent descoperiți i-a condus pe oamenii de știință la ideea că toți sunt construiti din alte particule mai fundamentale. În 1964, fizicianul american M. Gell-Man a avansat o ipoteză, confirmată de studiile ulterioare, că toate particulele fundamentale grele - hadronii - sunt construite din mai multe particule fundamentale numite quarci. Pe baza ipotezei cuarcilor, nu numai că a fost înțeleasă structura hadronilor deja cunoscuți, dar a fost prezisă și existența altora noi. Teoria Gell-Mann presupunea existența a trei quarci și trei antiquarci, care se combină între ele în diverse combinații. Deci, fiecare barion este format din trei cuarci, antibarion - din trei antiquarci. Mezonii sunt formați din perechi quark-antiquark.

Odată cu acceptarea ipotezei cuarcului, a fost posibil să se creeze un sistem coerent de particule elementare. Cu toate acestea, proprietățile prezise ale acestor particule ipotetice s-au dovedit a fi destul de neașteptate. Numeroase căutări de quarci în stare liberă, efectuate în acceleratoare de înaltă energie și în raze cosmice, s-au dovedit a fi fără succes. Oamenii de știință cred că unul dintre motivele inobservabilității quarcilor liberi este, probabil, masele lor foarte mari. Acest lucru previne crearea de quarci la energiile care sunt realizate la acceleratoarele moderne. Cu toate acestea, majoritatea experților sunt acum încrezători că quarcii există în interiorul particulelor grele - hadronii.

Interacțiuni fundamentale. Procesele la care participă diferite particule elementare diferă foarte mult în timpii și energiile lor caracteristice. Conform conceptelor moderne, în natură există patru tipuri de interacțiuni care nu pot fi reduse la alte tipuri de interacțiuni mai simple: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Aceste tipuri de interacțiuni sunt numite fundamentale.

Interacțiunea puternică (sau nucleară) este cea mai intensă dintre toate tipurile de interacțiuni. Ele provoacă o legătură excepțional de puternică între protoni și neutroni din nucleele atomilor. Doar particulele grele - hadronii (mezoni și barionii) pot lua parte la interacțiunea puternică. Interacțiunea puternică se manifestă la distanțe de ordinul a și mai puțin de 10 - 15 m. Prin urmare, se numește distanță scurtă.

Interacțiune electromagnetică. Orice particule încărcate electric pot lua parte la acest tip de interacțiune, precum și fotonii - cuante ale câmpului electromagnetic. Interacțiunea electromagnetică este responsabilă, în special, de existența atomilor și a moleculelor. Determină multe proprietăți ale substanțelor în stare solidă, lichidă și gazoasă. Repulsia coulombiană a protonilor duce la instabilitatea nucleelor ​​cu numere de masă mari. Interacțiunea electromagnetică determină procesele de absorbție și emisie de fotoni de către atomi și molecule de materie și multe alte procese din fizica micro și macrolumilor.

Interacțiunea slabă este cea mai lentă dintre toate interacțiunile care au loc în microcosmos. Orice particule elementare, cu excepția fotonilor, pot lua parte la ea.

Interacțiunea gravitațională este inerentă tuturor particulelor fără excepție, totuși, din cauza dimensiunii mici a maselor de particule elementare, forțele de interacțiune gravitațională dintre ele sunt neglijabil de mici, iar rolul lor în procesele microcosmosului este nesemnificativ. Forțele gravitaționale joacă un rol decisiv în interacțiunea obiectelor spațiale (stele, planete etc.) cu mase lor uriașe.

În anii 1930, a apărut o ipoteză conform căreia interacțiunile în lumea particulelor elementare sunt realizate prin schimbul de quante ale unui câmp. Această ipoteză a fost propusă inițial de compatrioții noștri I.E. Tamm și D.D. Ivanenko. Ei au sugerat că interacțiunile fundamentale apar din schimbul de particule, la fel cum legătura chimică covalentă a atomilor ia naștere din schimbul de electroni de valență, care sunt combinați pe învelișuri de electroni goale.

Interacțiunea realizată prin schimbul de particule a primit în fizică denumirea de interacțiune de schimb. Deci, de exemplu, interacțiunea electromagnetică dintre particulele încărcate apare ca urmare a schimbului de fotoni - cuante ale câmpului electromagnetic.

Teoria interacțiunii de schimb a câștigat recunoaștere după ce fizicianul japonez H. Yukawa a arătat teoretic în 1935 că interacțiunea puternică dintre nucleoni din nucleii atomilor poate fi explicată presupunând că nucleonii fac schimb de particule ipotetice numite mezoni. Yukawa a calculat masa acestor particule, care s-a dovedit a fi aproximativ egală cu 300 de mase de electroni. Particulele cu o astfel de masă au fost ulterior descoperite efectiv. Aceste particule sunt numite p-mezoni (pioni). În prezent sunt cunoscute trei tipuri de pioni: p + , p - și p 0 .

În 1957, a fost prezisă teoretic existența particulelor grele, așa-numiții bosoni vectoriali W + , W - și Z 0 , determinând mecanismul de schimb al interacțiunii slabe. Aceste particule au fost descoperite în 1983 în experimente cu fascicul de ciocnire cu protoni și antiprotoni de înaltă energie. Descoperirea bosonilor vectoriali a fost o realizare foarte importantă în fizica particulelor elementare. Această descoperire a marcat succesul unei teorii care a unificat forțele electromagnetice și cele slabe într-o singură așa-numită forță electroslabă. Această nouă teorie consideră câmpul electromagnetic și câmpul de interacțiune slabă ca componente diferite ale aceluiași câmp, în care, alături de cuantumul câmpului electromagnetic, participă bosonii vectoriali.

După această descoperire, în fizica modernă, a crescut semnificativ încrederea că toate tipurile de interacțiune sunt strâns legate între ele și, în esență, sunt manifestări diferite ale unui anumit câmp unificat. Cu toate acestea, unificarea tuturor interacțiunilor este încă doar o ipoteză științifică atractivă.

Fizicienii teoreticieni depun eforturi considerabile în încercările de a lua în considerare pe o bază unificată nu numai interacțiunea electromagnetică și slabă, ci și interacțiunea puternică. Această teorie se numește Marea Unire. Oamenii de știință sugerează că interacțiunea gravitațională trebuie să aibă și propriul purtător - o particulă ipotetică numită graviton. Cu toate acestea, această particulă nu a fost încă descoperită.

În prezent, se consideră dovedit că un câmp unificat care unește toate tipurile de interacțiune poate exista doar la energii extrem de mari ale particulelor care nu sunt atinse cu acceleratoarele moderne. Particulele puteau poseda energii atât de mari doar în primele etape ale existenței Universului, care au apărut ca urmare a așa-numitului Big Bang. Cosmologia - știința evoluției universului - sugerează că Big Bang-ul a avut loc acum 18 miliarde de ani. Modelul standard al evoluției Universului presupune că în prima perioadă după explozie, temperatura ar putea ajunge la 10 32 K, iar energia particulelor E = kT ar putea atinge valori de 10 19 GeV. În această perioadă, materia a existat sub formă de quarci și neutrini, în timp ce toate tipurile de interacțiuni au fost combinate într-un singur câmp de forță. Treptat, pe măsură ce Universul s-a extins, energia particulelor a scăzut, iar interacțiunea gravitațională s-a separat mai întâi de câmpul unificat de interacțiuni (la energii ale particulelor de ≈ 1019 GeV), iar apoi interacțiunea puternică s-a separat de cea electroslabă (la energii de ordinul 1014 GeV). La energii de ordinul a 10 3 GeV, toate cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale s-au dovedit a fi separate. Concomitent cu aceste procese, a continuat formarea unor forme mai complexe de materie - nucleoni, nuclei ușoare, ioni, atomi etc. Cosmologia în modelul său încearcă să urmărească evoluția Universului în diferite etape ale dezvoltării sale de la Big Bang până în zilele noastre, pe baza legile fizicii particulelor elementare, precum și a fizicii nucleare și atomice.

Electron

Poate că acești electroni Lumi, unde sunt cinci continente, Arte, cunoaștere, războaie, tronuri Și amintirea a patruzeci de secole!

Poezia lui Valery Bryusov „Lumea electronului” a fost scrisă pe 13 august 1922.

Din punct de vedere istoric, prima particulă elementară descoperită a fost electronul - purtătorul sarcinii electrice elementare negative în atomi.

Aceasta este cea mai „veche” particulă elementară. În termeni ideologici, el a intrat în fizică în 1881, când Helmholtz, într-un discurs în onoarea lui Faraday, a subliniat că structura atomică a materiei, împreună cu legile lui Faraday ale electrolizei, duce inevitabil la ideea că sarcina electrică trebuie să fie întotdeauna un multiplu al unei sarcini elementare, adică . până la concluzia despre cuantizarea sarcinii electrice. Purtătorul sarcinii elementare negative, așa cum știm acum, este electronul.

Maxwell, care a creat teoria fundamentală a fenomenelor electrice și magnetice și a folosit în mod semnificativ rezultatele experimentale ale lui Faraday, nu a acceptat ipoteza electricității atomice.

Între timp, teoria „temporană” a existenței electronului a fost confirmată în 1897 în experimentele lui JJ Thomson, în care a identificat așa-numitele raze catodice cu electroni și a măsurat sarcina și masa electronului. Thomson a numit particulele razelor catodice „corpuscule” sau atomi primordiali. Cuvântul „electron” a fost folosit inițial pentru a desemna mărimea sarcinii „corpusculului”. Și numai în timp, particula în sine a început să fie numită electron. Cu toate acestea, ideea electronului nu a fost imediat acceptată. Când, într-o prelegere la Royal Society, J. J. Thomson, descoperitorul electronului, a sugerat că particulele razelor catodice ar trebui considerate posibile componente ale atomului, unii dintre colegii săi au crezut sincer că el le mistifică. Planck însuși a recunoscut în 1925 că nu credea pe deplin atunci, în 1900, în ipoteza electronului.

Putem spune că după experimentele lui Millikan, care a măsurat în 1911. încărcăturile electronilor individuali, această primă particulă elementară a primit dreptul de a exista.

Foton

Dovada experimentală directă a existenței fotonului a fost dată de R. Millikan în 1912-1915. în studiile sale despre efectul fotoelectric, precum și A. Compton în 1922, care a descoperit împrăștierea razelor X cu o modificare a frecvenței lor.

Un foton este, într-un sens, o particulă specială. Faptul este că masa sa în repaus, spre deosebire de alte particule (cu excepția neutrinilor), este egală cu zero. Prin urmare, nu a fost considerată imediat o particulă: la început s-a crezut că prezența unei mase de repaus finite și diferite de zero este o caracteristică obligatorie a unei particule elementare.

Un foton este o cuantă de lumină Planck „animată”, adică. un cuantum de lumină care poartă impuls.

Cuantele de lumină au fost introduse de Planck în 1901 pentru a explica legile radiației unui corp complet negru. Dar el nu erau particule, ci doar „porțiuni” minime posibile de energie luminoasă de o frecvență sau alta.

Deși presupunerea lui Planck despre cuantificarea energiei luminii era absolut contrară oricărei teorii clasice, Planck însuși nu a înțeles imediat acest lucru. Omul de știință a scris că „... a încercat să introducă într-un fel valoarea lui h în cadrul teoriei clasice. Cu toate acestea, în ciuda tuturor acestor încercări, această valoare s-a dovedit a fi foarte încăpățânată”. Ulterior, această valoare a fost numită constanta lui Planck (h=6*10 -27 erg. s).

După introducerea constantei lui Planck, situația nu a devenit mai clară.

Fotonii sau cuantele au fost făcute „vii” de teoria relativității a lui Einstein, care în 1905 a arătat că cuantele trebuie să aibă nu numai energie, ci și impuls și că sunt particule în sensul deplin, numai speciale, deoarece masa lor în repaus este zero și se mișcă cu viteza luminii.

Deci concluzia despre existența unei particule de câmp electromagnetic - un foton - provine din lucrarea lui M. Planck (1900). Presupunând că energia radiației electromagnetice a unui corp absolut negru este cuantificată, Planck a obținut formula corectă pentru spectrul radiațiilor. Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein (1905) a postulat că radiația electromagnetică (lumina) este de fapt un flux de cuante individuale (fotoni) și pe această bază a explicat legile efectului fotoelectric.

Proton

Protonul a fost descoperit de E. Rutherford în 1919 în studiile interacțiunii particulelor alfa cu nucleele atomice.

Mai exact, descoperirea protonului este asociată cu descoperirea nucleului atomic. A fost realizat de Rutherford prin bombardarea atomilor de azot cu particule b de înaltă energie. Rutherford a concluzionat că „nucleul atomului de azot se dezintegrează ca urmare a forțelor enorme care se dezvoltă la ciocnirea cu o particulă rapidă de 6 și că atomul de hidrogen eliberat formează o parte integrantă a nucleului de azot”. În 1920, nucleele atomului de hidrogen au fost denumite protoni de către Rutherford (proton în greacă înseamnă cel mai simplu, primar). Au fost și alte sugestii pentru un nume. Deci, de exemplu, a fost propus numele de „baron” (baros în greacă înseamnă greutate). Cu toate acestea, a subliniat doar o caracteristică a nucleului de hidrogen - masa sa. Termenul „proton” a fost mult mai profund și mai semnificativ, reflectând natura fundamentală a protonului, deoarece protonul este cel mai simplu nucleu - nucleul celui mai ușor izotop al hidrogenului. Acesta este, fără îndoială, unul dintre cei mai de succes termeni din fizica particulelor elementare. Astfel, protonii sunt particule cu o sarcină pozitivă unitară și o masă de 1840 de ori mai mare decât masa unui electron.

Neutroni

O altă particulă care alcătuiește nucleul, neutronul, a fost descoperită în 1932 de J. Chadwick în timp ce studia interacțiunea a 6 particule cu beriliul. Neutronul are o masă apropiată de cea a protonului, dar nu are sarcină electrică. Descoperirea neutronului a finalizat identificarea particulelor - elementele structurale ale atomilor și nucleele acestora.

Descoperirea izotopilor nu a clarificat problema structurii nucleului. Până atunci, erau cunoscuți numai protoni - nuclee de hidrogen și electroni și, prin urmare, era firesc să încercăm să explicăm existența izotopilor prin diferite combinații ale acestor particule încărcate pozitiv și negativ. S-ar putea crede că nucleele conțin protoni A, unde A este numărul de masă și electroni A?Z. În acest caz, sarcina pozitivă totală coincide cu numărul atomic Z.

O imagine atât de simplă a unui nucleu omogen la început nu a contrazis concluzia despre dimensiunea mică a nucleului, care a rezultat din experimentele lui Rutherford. „Raza naturală” a unui electron r0 \u003d e 2 /mc 2 (care se obține prin echivalarea energiei electrostatice e 2 /r0 a sarcinii distribuite pe învelișul sferic cu energia proprie a electronului mc 2) este r0 \u003d 2,82 * 10 - 15 m. Un astfel de electron este suficient de mic pentru a fi în interiorul unui nucleu cu o rază de 10 - 14 m, deși ar fi dificil să plasați un număr mare de particule acolo. În 1920 Rutherford și alți oameni de știință au luat în considerare posibilitatea unei combinații stabile a unui proton și a unui electron, reproducând o particulă neutră cu o masă aproximativ egală cu cea a unui proton. Cu toate acestea, din cauza lipsei unei sarcini electrice, astfel de particule ar fi dificil de detectat. Este puțin probabil ca aceștia să poată elimina și electronii de pe suprafețele metalice, cum ar fi undele electromagnetice în timpul efectului fotoelectric.

Abia după un deceniu, după ce radioactivitatea naturală a fost investigată amănunțit și radiațiile radioactive au început să fie utilizate pe scară largă pentru a provoca transformarea artificială a atomilor, a fost stabilită în mod fiabil existența unui nou constituent al nucleului. În 1930, W. Bothe și G. Becker de la Universitatea din Giessen au iradiat litiu și beriliu cu particule alfa și, folosind un contor Geiger, au înregistrat radiația penetrantă rezultată. Deoarece această radiație nu a fost afectată de câmpurile electrice și magnetice și avea o putere mare de penetrare, autorii au ajuns la concluzia că au fost emise radiații gamma dure. În 1932, F. Joliot și I. Curie au repetat experimente cu beriliu, trecând astfel de radiații penetrante printr-un bloc de parafină. Ei au descoperit că protonii de energie neobișnuit de mare au fost emiși din parafină și au ajuns la concluzia că radiația gamma care trece prin parafină a produs protoni ca urmare a împrăștierii. (În 1923 s-a descoperit că razele X se împrăștie pe electroni, dând efectul Compton)

J. Chadwick a repetat experimentul. El a folosit, de asemenea, parafină și, folosind o cameră de ionizare, în care a fost colectată sarcina generată atunci când electronii erau scoși din atomi, a măsurat gama de protoni de recul.

Chadwick a folosit, de asemenea, azotul gazos (într-o cameră cu nori în care picăturile de apă se condensează de-a lungul traseului unei particule încărcate) pentru a absorbi radiația și pentru a măsura intervalul de atomi de recul de azot. Aplicând legile conservării energiei și impulsului la rezultatele ambelor experimente, el a ajuns la concluzia că radiația neutră detectată nu este radiația gamma, ci un flux de particule cu o masă apropiată de cea a unui proton. Chadwick a mai arătat că sursele cunoscute de radiații gamma nu elimina protonii. Acest lucru a confirmat existența unei noi particule, care se numește acum neutron.

Fisiunea beriliului metalic s-a desfășurat după cum urmează: particulele alfa de 4 2 He (sarcină 2, număr de masă 4) s-au ciocnit cu nucleele de beriliu (sarcină 4, număr de masă 9), rezultând carbon și un neutron. Descoperirea neutronului a fost un pas important înainte. Caracteristicile observate ale nucleelor ​​ar putea fi acum interpretate luând în considerare neutronii și protonii ca constituenți ai nucleelor. Acum se știe că neutronul este cu 0,1% mai greu decât protonul. Neutronii liberi (în afara nucleului) suferă dezintegrare radioactivă, transformându-se într-un proton și un electron. Aceasta amintește de ipoteza originală a unei particule neutre compuse. Cu toate acestea, în interiorul unui nucleu stabil, neutronii sunt legați de protoni și nu se descompun spontan.

Pozitron

Începând cu anii 1930 și până în anii 1950, noi particule au fost descoperite în principal în razele cosmice. În 1932, în compoziția lor, A. Anderson a descoperit prima antiparticulă - pozitronul (e +) - o particulă cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă. Pozitronul a fost prima antiparticulă descoperită. Existența lui e+ a urmat direct din teoria relativistă a electronului dezvoltată de P. Dirac (1928-31) cu puțin timp înainte de descoperirea pozitronului. În 1936 Fizicienii americani K. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit muoni (din ambele semne de sarcină electrică) în studiul razelor cosmice - particule cu o masă de aproximativ 200 de mase de electroni, dar de altfel surprinzător de similare ca proprietăți cu e-, e +.

Pozitronii (electronii pozitivi) nu pot exista în materie, deoarece atunci când încetinesc, se anihilează, conectându-se cu electronii negativi. În acest proces, care poate fi considerat ca fiind procesul invers de producere a perechilor, electronii pozitivi și negativi dispar, în timp ce se formează fotoni, cărora le este transferată energia. În anihilarea unui electron și a unui pozitron, în majoritatea cazurilor se formează doi fotoni, mult mai rar - un foton. Anihilarea unui singur foton poate avea loc numai atunci când electronul este puternic legat de nucleu; participarea nucleului în acest caz este necesară pentru conservarea impulsului. Anihilarea cu doi fotoni, dimpotrivă, poate avea loc și cu un electron liber. Adesea, procesul de anihilare are loc după ce pozitronul sa oprit aproape complet. În acest caz, doi fotoni cu energii egale sunt emiși în direcții opuse.

Pozitronul a fost descoperit de Anderson în timp ce studia razele cosmice folosind metoda camerei cu nori. Figura, care este o reproducere a unei fotografii realizate de Anderson într-o cameră cu nori, arată o particulă pozitivă care intră într-o placă de plumb de 0,6 cm grosime cu un impuls de 6,3 * 107 eV / s și o părăsește cu un impuls de 2,3 * 107 eV. / s Cu. Se poate stabili o limită superioară a masei acestei particule, presupunând că pierde energie doar în ciocniri. Această limită este de 20 de mine. Pe baza acestei fotografii și a altor fotografii similare, Anderson a emis ipoteza existenței unei particule pozitive cu o masă aproximativ egală cu cea a unui electron obișnuit. Această concluzie a fost în curând confirmată de observațiile lui Blackett și Occhialini într-o cameră cu nori. La scurt timp după aceea, Curie și Joliot au descoperit că pozitronii sunt produși prin conversia razelor gamma din surse radioactive și sunt, de asemenea, emiși de izotopi radioactivi artificiali. Întrucât fotonul, fiind neutru, formează o pereche (pozitron și electron), din principiul conservării sarcinii electrice rezultă că valoarea absolută a sarcinii pozitronului este egală cu sarcina electronului.

Prima determinare cantitativă a masei pozitronului a fost făcută de Thibaut, care a măsurat raportul e/m folosind metoda trohoidului și a concluzionat că masele pozitronului și electronului diferă cu cel mult 15%. Experimentele ulterioare ale lui Spies și Zan, care au folosit o configurație spectrografică de masă, au arătat că masele electronului și ale pozitronului coincid cu 2%. Mai târziu, Dumond și colegii de muncă au măsurat lungimea de undă a radiației de anihilare cu mare precizie. Până la erori experimentale (0,2%), au obținut valoarea lungimii de undă, care ar trebui așteptată în ipoteza că pozitronul și electronul au mase egale.

Legea conservării momentului unghiular așa cum este aplicată procesului de producere a perechilor arată că pozitronii au un spin de jumătate întreg și, prin urmare, se supun statisticilor Fermi. Este rezonabil să presupunem că spinul pozitronului este 1/2, la fel ca spinul electronului.

pioni si muoni. Descoperirea mesonului

Descoperirea mezonului, spre deosebire de descoperirea pozitronului, nu a fost rezultatul unei singure observații, ci mai degrabă o concluzie dintr-o serie întreagă de studii experimentale și teoretice.

În 1932, Rossi, folosind metoda coincidenței propusă de Bothe și Kolhurster, a arătat că o fracțiune cunoscută din radiația cosmică observată la nivelul mării este formată din particule capabile să pătrundă prin plăci de plumb de până la 1 m grosime.La scurt timp după aceea, a atras și atenția. la existenţa în razele cosmice a două componente diferite. Particulele dintr-o componentă (componenta penetrantă) sunt capabile să treacă prin grosimi mari de materie, iar gradul de absorbție a acestora de către diferite substanțe este aproximativ proporțional cu masa acestor substanțe. Particulele celeilalte componente (componenta de dus) sunt absorbite rapid, mai ales de elementele grele; în acest caz, se formează un număr mare de particule secundare (averse). Experimentele cu camera de nori ale lui Anderson și Neddemeyer privind trecerea particulelor de raze cosmice prin plăcile de plumb au arătat, de asemenea, că există două componente distincte ale razelor cosmice. Aceste experimente au arătat că, în timp ce pierderea medie de energie a particulelor de raze cosmice în plumb a fost de ordinul mărimii pierderii de coliziune calculate teoretic, unele dintre aceste particule au suferit pierderi mult mai mari.

În 1934, Bethe și Heitler au publicat teoria pierderii radiative a electronilor și producerea de perechi de către fotoni. Proprietățile componentei mai puțin penetrante observate de Anderson și Neddemeyer erau în acord cu proprietățile electronilor prezise de teoria lui Bethe și Heitler; în acest caz, pierderile mari au fost explicate prin procese de radiație. Proprietățile radiației care formează dușuri descoperite de Rossi ar putea fi explicate și presupunând că această radiație constă din electroni și fotoni de înaltă energie. Pe de altă parte, deși recunoscând validitatea teoriei lui Bethe și Heitler, a trebuit să concluzionăm că particulele „penetrante” din experimentele lui Rossi și particulele mai puțin absorbite din experimentele lui Anderson și Neddemeyer diferă de electroni. A trebuit să presupunem că particulele care pătrund sunt mai grele decât electronii, deoarece, conform teoriei, pierderea de energie pentru radiație este invers proporțională cu pătratul masei.

În legătură cu aceasta, a fost discutată posibilitatea prăbușirii teoriei radiațiilor la energii mari. Ca alternativă, Williams a sugerat în 1934 că particulele penetrante de raze cosmice ar putea avea masa unui proton. Una dintre dificultățile asociate cu această ipoteză a fost necesitatea existenței nu numai a protonilor pozitivi, ci și negativi, deoarece experimentele cu camera de nori au arătat că particulele penetrante ale razelor cosmice au sarcini ale ambelor semne. Mai mult, în unele fotografii făcute de Anderson și Neddemeyer într-o cameră cu nori, se puteau vedea particule care nu radiau ca electronii, dar, totuși, nu erau la fel de grele ca protonii. Astfel, până la sfârșitul anului 1936, a devenit aproape evident că, pe lângă electroni, razele cosmice conțineau și particule de tip necunoscut până atunci, probabil particule cu o masă intermediară între cea a unui electron și cea a unui proton. De asemenea, trebuie menționat că în 1935, Yukawa, din considerente pur teoretice, a prezis existența unor astfel de particule.

Existența particulelor de masă intermediară a fost demonstrată direct în 1937 prin experimentele lui Neddemeyer și Anderson, Street și Stevenson.

Experimentele lui Neddemeyer și Anderson au fost o continuare (cu o tehnică îmbunătățită) a studiilor menționate mai sus privind pierderile de energie ale particulelor de raze cosmice. Acestea au fost efectuate într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic și împărțită în două jumătăți de o placă de platină cu grosimea de 1 cm. Pierderea de impuls pentru particulele individuale de raze cosmice a fost determinată prin măsurarea curburii pistei înainte și după placă.

Particulele absorbite pot fi interpretate cu ușurință ca electroni. Această interpretare este susținută de faptul că, spre deosebire de particulele penetrante, particulele absorbite cauzează adesea procese secundare în absorbantul de platină și, în cea mai mare parte, apar în grupuri (două sau mai multe). Este exact ceea ce era de așteptat, deoarece mulți dintre electronii observați în aceeași geometrie experimentală ca cei ai lui Neddemeyer și Anderson fac parte din ploile formate în materia înconjurătoare. În ceea ce privește natura particulelor penetrante, următoarele două rezultate obținute de Neddemeyer și Anderson au explicat multe aici.

unu). În ciuda faptului că particulele absorbite sunt relativ mai frecvente la momente scăzute, iar particulele penetrante sunt opusul (mai frecvente la momente mari), există un interval de impuls în care sunt reprezentate atât particulele absorbite, cât și particulele penetrante. Astfel, diferența în comportamentul acestor două tipuri de particule nu poate fi atribuită diferenței de energii. Acest rezultat exclude posibilitatea de a considera particulele penetrante ca electroni, explicând comportamentul lor prin nedreptatea teoriei radiațiilor la energii mari.

2). Există un număr de particule penetrante cu un moment mai mic de 200 MeV/c care nu produc mai multă ionizare decât o particulă încărcată individual aproape de minimul curbei de ionizare. Aceasta înseamnă că particulele de raze cosmice care pătrund sunt mult mai ușoare decât protonii, deoarece un proton cu un impuls mai mic de 200 MeV/c produce o ionizare specifică de aproximativ 10 ori mai mică.

Street și Stevenson au încercat să estimeze direct masa particulelor de raze cosmice, măsurând simultan impulsul și ionizarea specifică. Au folosit o cameră cu nor, care era controlată de un sistem de contoare Geiger-Muller pornit pentru anticoncidențe. Acest lucru a realizat selecția particulelor aproape de sfârșitul intervalului lor. Camera a fost plasată într-un câmp magnetic cu o putere de 3500 gauss; Camera a fost declanșată cu o întârziere de aproximativ 1 secundă, ceea ce a făcut posibilă numărarea picăturilor. Printre un număr mare de fotografii, Street și Stevenson au găsit una de un interes extrem.

Această fotografie arată traseul unei particule cu un impuls de 29 MeV/c, a cărei ionizare este de aproximativ șase ori minim. Această particulă are o sarcină negativă pe măsură ce se mișcă în jos. Judecând după impuls și ionizarea specifică, masa sa este de aproximativ 175 de mase de electroni; o eroare probabilă de 25% se datorează inexactității măsurării ionizării specifice. Rețineți că un electron cu un impuls de 29 MeV/c are practic o ionizare minimă. Pe de altă parte, particulele cu acest impuls și masă de proton (fie un proton obișnuit care se mișcă în sus, fie un proton negativ care se mișcă în jos) au o ionizare specifică care este de aproximativ 200 de ori minima; în plus, intervalul unui astfel de proton în gazul camerei trebuie să fie mai mic de 1 cm. În același timp, urma în cauză este clar vizibilă timp de 7 cm, după care părăsește volumul iluminat.

Experimentele descrise mai sus au demonstrat cu siguranță că particulele care pătrund sunt într-adevăr mai grele decât electronii, dar mai ușoare decât protonii. În plus, experimentul lui Street și Stevenson a oferit prima estimare aproximativă a masei acestei noi particule, pe care acum o putem numi prin numele ei comun, mezon.

Deci, în 1936 A. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit muonul (m - mezon). Această particulă diferă de electron doar prin masa sa, care este de aproximativ 200 de ori mai mare decât electronul.

În 1947 Powell a observat urme de particule încărcate în emulsii fotografice, care au fost interpretate ca mesoni Yukawa și numite p mezoni sau pioni. Produșii de descompunere ai pionilor încărcați, care sunt și particule încărcate, au fost numiți m-mezoni sau muoni. Muonii negativi au fost observați în experimentele lui Conversi: spre deosebire de pioni, muonii, ca și electronii, nu interacționează puternic cu nucleele atomice.

Deoarece muonii cu o energie strict definită s-au format întotdeauna în timpul dezintegrarii pionilor opriți, a rezultat din aceasta că ar trebui să se formeze o altă particulă neutră în timpul tranziției lui p în m (masa sa s-a dovedit a fi foarte aproape de zero). Pe de altă parte, această particulă practic nu interacționează cu materia, așa că s-a ajuns la concluzia că nu poate fi un foton. Astfel, fizicienii au întâlnit o nouă particulă neutră a cărei masă este zero. Așadar, a fost descoperit un mezon Yukawa încărcat, care se descompune într-un muon și un neutrin. Durata de viață a mezonului p în raport cu această dezintegrare s-a dovedit a fi 2×10 -8 s. Apoi s-a dovedit că muonul este, de asemenea, instabil, că, ca urmare a dezintegrarii sale, se formează un electron. Durata de viață a muonului s-a dovedit a fi de ordinul a 10 -6 s. Deoarece electronul format în timpul dezintegrarii muonului nu are o energie strict definită, s-a ajuns la concluzia că, împreună cu electronul, în timpul dezintegrarii muonului se formează doi neutrini. În 1947, tot în raze cosmice, grupul lui S. Powell a descoperit mesonii p+ și p- cu o masă de 274 de mase de electroni, care joacă un rol important în interacțiunea protonilor cu neutronii din nuclee. Existența unor astfel de particule a fost sugerată de H. Yukawa în 1935.

Neutrino

Descoperirea neutrinului, o particulă care aproape că nu interacționează cu materia, provine din conjectura teoretică a lui W. Pauli (1930), care a făcut posibilă, prin presupunerea nașterii unei astfel de particule, eliminarea dificultăților cu legea lui conservarea energiei în procesele de dezintegrare beta a nucleelor ​​radioactive. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental abia în 1953 (F. Reines și K. Cowen, SUA).

În timpul dezintegrarii beta a nucleelor, așa cum am spus deja, pe lângă electroni, neutrinii zboară și ei. Această particulă a fost pentru prima dată „introdusă” în fizică teoretic. A fost existența neutrinului care a fost postulată de Pauli în 1929, cu mulți ani înainte de descoperirea sa experimentală (1956). Neutrino, o particulă neutră cu masă zero (sau neglijabil) a fost nevoie de Pauli pentru a salva legea conservării energiei în procesul de dezintegrare beta a nucleelor ​​atomice.

Inițial, Pauli a numit ipotetica particulă neutră formată în timpul dezintegrarii beta a nucleelor ​​neutron (aceasta a fost înainte de descoperirea lui Chadwick) și a sugerat că face parte din nucleu.

Cât de dificil a fost să se ajungă la ipoteza neutrinilor, care se formează chiar în actul dezintegrarii neutronilor, poate fi văzut cel puțin din faptul că cu doar un an înainte de apariția articolului fundamental al lui Fermi despre proprietățile interacțiunii slabe, Un cercetător a folosit termenul „neutron” într-un raport privind starea actuală a fizicii nucleare pentru a desemna cele două particule numite acum neutron și neutrin. "De exemplu, conform propunerii lui Pauli", spune Fermi, "ar fi posibil să ne imaginăm că în interiorul nucleului atomic există neutroni care ar fi emiși simultan cu particulele β. Acești neutroni ar putea trece prin grosimi mari de materie, practic fără pierzându-și energia și, prin urmare, ar fi practic neobservabile Existența neutronului, fără îndoială, ar putea explica pur și simplu unele întrebări încă de neînțeles, cum ar fi statistica nucleelor ​​atomice, momentele intrinseci anormale ale unor nuclee și, de asemenea, poate , natura radiațiilor penetrante.” Într-adevăr, când vine vorba de o particulă emisă cu electroni β și slab absorbită de materie, este necesar să se țină cont de neutrin. Se poate concluziona că în 1932 problemele neutronului și neutrinului erau extrem de confuze. A fost nevoie de un an de muncă grea din partea teoreticienilor și experimentatorilor pentru a rezolva atât dificultățile fundamentale, cât și cele terminologice.

"După descoperirea neutronului", a spus Pauli, "la seminariile de la Roma, Fermi a început să numească noua mea particule emisă în timpul dezintegrarii beta „neutrin" pentru a o deosebi de neutronul greu. Acest nume italian a devenit general acceptat".

În anii 1930, teoria lui Fermi a fost generalizată la dezintegrarea pozitronilor (Wick, 1934) și la tranziții cu modificarea momentului unghiular al nucleului (Gamow și Teller, 1937).

„Soarta” unui neutrin poate fi comparată cu „soarta” unui electron. Ambele particule au fost inițial ipotetice - electronul a fost introdus pentru a aduce structura atomică a materiei în conformitate cu legile electrolizei, iar neutrino - pentru a salva legea conservării energiei în procesul de dezintegrare beta. Și doar mult mai târziu au fost descoperite ca fiind adevărate.

În 1962, s-a descoperit că există doi neutrini diferiți: electroni și muoni. În 1964, în dezintegrarea mezonilor K neutri, a fost descoperită așa-numita nonconservare. paritatea combinată (introdusă de Li Tsung-tao și Yang Chen-ning și independent de L.D. Landau în 1956), ceea ce înseamnă necesitatea revizuirii opiniilor obișnuite asupra comportamentului proceselor fizice în timpul operațiunii de reflecție a timpului.

Descoperirea unor particule ciudate

Sfârșitul anilor 40 - începutul anilor 50. au fost marcate de descoperirea unui grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite „ciudate”. Au fost realizate pe acceleratoare - instalații care creează fluxuri intense de protoni și electroni rapizi. La ciocnirea cu materia, protonii și electronii accelerați dau naștere unor noi elemente elementare. particule, care devin subiect de studiu.

În 1947, Butler și Rochester au observat două particule, numite particule V, într-o cameră cu nori. Au fost observate două urme, ca și cum ar forma litera latină V. Formarea a două urme a indicat că particulele erau instabile și s-au degradat în altele, mai ușoare. Una dintre particulele V a fost neutră și s-a degradat în două particule încărcate cu sarcini opuse. (Mai târziu a fost identificat cu mezonul K neutru, care se descompune în pioni pozitivi și negativi). Celălalt a fost încărcat și s-a degradat într-o particulă încărcată cu o masă mai mică și o particulă neutră. (Mai târziu a fost identificat cu mezonul K+ încărcat, care se descompune în pioni încărcați și neutri).

Particulele V permit, la prima vedere, o altă interpretare: aspectul lor ar putea fi interpretat nu ca o descompunere a particulelor, ci ca un proces de împrăștiere. Într-adevăr, procesele de împrăștiere a unei particule încărcate de către un nucleu cu formarea unei particule încărcate în starea finală, precum și împrăștierea inelastică a unei particule neutre de către un nucleu cu formarea a două particule încărcate, vor arăta la fel în o cameră cu nori ca dezintegrarea particulelor V. Dar o astfel de posibilitate a fost ușor exclusă pe motiv că procesele de împrăștiere sunt mai probabile în mediile mai dense. Și evenimentele V au fost observate nu în plumb, care a fost prezent în camera cu nori, ci direct în camera însăși, care este umplută cu un gaz cu o densitate mai mică (comparativ cu densitatea plumbului).

Observăm că, dacă descoperirea experimentală a mezonului p a fost într-un anumit sens „așteptată” în legătură cu necesitatea de a explica natura interacțiunilor nucleonilor, atunci descoperirea particulelor V, ca și descoperirea muonului, s-a dovedit a fi fii o surpriza totala.

Descoperirea particulelor V și determinarea celor mai „elementare” caracteristici ale acestora s-au întins pe mai bine de un deceniu. După prima observare a acestor particule în 1947. Rochester și Butler și-au continuat experimentele încă doi ani, dar nu au reușit să observe o singură particulă. Și numai după ce echipamentul a fost ridicat sus în munți, particulele V au fost descoperite din nou, precum și noi particule.

După cum sa dovedit mai târziu, toate aceste observații s-au dovedit a fi observații ale diferitelor dezintegrari ale aceleiași particule - mezonul K (încărcat sau neutru).

„Comportarea” particulelor V la naștere și degradarea ulterioară a dus la faptul că acestea au fost numite ciudate.

Particulele ciudate au fost obținute pentru prima dată în laborator în 1954. Fowler, Shutt, Thorndike și Whitemore, care, folosind un fascicul de ioni de la cosmotronul Brookhaven cu o energie inițială de 1,5 GeV, au observat reacțiile producției asociative de particule ciudate.

De la începutul anilor 50. acceleratorii au devenit instrumentul principal pentru studiul particulelor elementare. În anii 70. energiile particulelor accelerate la acceleratori s-au ridicat la zeci și sute de miliarde de electron volți (GeV). Dorința de a crește energiile particulelor se datorează faptului că energiile înalte deschid posibilitatea studierii structurii materiei la distanțe mai scurte, cu atât mai mare este energia particulelor care se ciocnesc. Acceleratoarele au crescut semnificativ rata de obținere a datelor noi și, în scurt timp, ne-au extins și ne-au îmbogățit cunoștințele despre proprietățile microlumii. Utilizarea acceleratoarelor pentru a studia particulele ciudate a făcut posibilă studierea mai detaliată a proprietăților acestora, în special a caracteristicilor dezintegrarii lor, și a condus în curând la o descoperire importantă: elucidarea posibilității de a schimba caracteristicile unor microprocese în timpul operațiunii. de reflexie în oglindă – așa-numita. încălcarea spaţiilor, paritate (1956). Punerea în funcțiune a acceleratoarelor de protoni cu energii de miliarde de electroni volți a făcut posibilă descoperirea de antiparticule grele: antiprotonul (1955), antineutronul (1956) și hiperonii antisigma (1960). În 1964, a fost descoperit cel mai greu hiperon W - (cu o masă de aproximativ două mase de protoni).

Rezonanțe.

În anii 1960 un număr mare de particule extrem de instabile (comparativ cu alte particule elementare instabile), numite „rezonanțe”, au fost descoperite la acceleratori.Masele majorității rezonanțelor depășesc masa unui proton.Prima dintre ele, D1 (1232), a fost cunoscute din 1953. alcătuiesc grosul particulelor elementare.

Interacțiunea puternică a unui mezon p și a unui nucleon într-o stare cu spin izotopic total de 3/2 și un moment de 3/2 duce la apariția unei stări excitate a nucleonului. Această stare se descompune într-un nucleon și un mezon p într-un timp foarte scurt (de ordinul a 10 -23 s). Deoarece această stare are numere cuantice bine definite, precum și particule elementare stabile, era firesc să o numim o particulă. Pentru a sublinia durata de viață foarte scurtă a acestei stări, ea și stările similare de scurtă durată au ajuns să fie numite rezonante.

Rezonanța nucleoană, descoperită de Fermi în 1952, a fost numită mai târziu izobară D 3/2 3/2 (pentru a evidenția faptul că spinul și spinul izotopic al izobarei D sunt 3/2). Întrucât durata de viață a rezonanțelor este nesemnificativă, acestea nu pot fi observate direct, la fel ca protonii, p-mezonii și muonii „obișnuiți” (prin urmele lor în dispozitivele de urmărire). Rezonanțele sunt detectate prin comportamentul caracteristic al secțiunilor transversale de împrăștiere a particulelor, precum și prin studierea proprietăților produselor lor de degradare. Majoritatea particulelor elementare cunoscute aparțin grupului de rezonanțe.

Descoperirea rezonanței D a fost de mare importanță pentru fizica particulelor elementare.

Rețineți că stările excitate sau rezonanțe nu sunt obiecte absolut noi ale fizicii. Anterior, ele erau cunoscute în fizica atomică și nucleară, unde existența lor este asociată cu natura compozită a atomului (format din nucleu și electroni) și a nucleului (format din protoni și neutroni). În ceea ce privește proprietățile stărilor atomice, acestea sunt determinate doar de interacțiunea electromagnetică. Probabilitățile scăzute de dezintegrare a acestora sunt asociate cu micimea constantei de interacțiune electromagnetică.

Stările excitate există nu numai pentru nucleon (în acest caz se vorbește despre stările lui izobare), ci și pentru mezonul p (în acest caz se vorbește de rezonanțe mezonice).

"Motivul apariției rezonanțelor în interacțiunile puternice este de neînțeles", scrie Feynman, "la început, teoreticienii nu au presupus că există rezonanțe în teoria câmpului cu o constantă mare de cuplare. Mai târziu, au realizat că dacă constanta de cuplare este mare. suficient, atunci apar stări izobare. Cu toate acestea, adevăratul sens al faptului existența rezonanțelor pentru teoria fundamentală rămâne neclar."

Documente similare

Fundal secolului al XVII-lea. Istoria și conceptul de tehnologie. Câteva descoperiri care mărturisesc revoluția științifică și tehnologică (NTR). Fenomene noi în cultura secolelor XIX-XX. Problemele globale ale secolului 20-21. Caracteristicile revoluției științifice și tehnologice, sens și concept.

rezumat, adăugat 22.06.2009


Concepte de bază și subiect de sociologie, principalele repere ale dezvoltării acesteia. Primii sociologi ai antichității. Sociologie occidentală clasică. Caracteristici ale învățăturilor lui Comte și Durkheim. Istoria dezvoltării sociologiei în Rusia. Conducerea politică și principalele sale tipuri.

test, adaugat 27.07.2011


Conceptul de informale și principalele lor trăsături. Istoria mișcării informale de tineret, motivele apariției acesteia. Principalele funcții ale asociațiilor de amatori. Clasificarea informalelor, activitățile lor, orientarea socială, opiniile, sarcinile și scopurile.

rezumat, adăugat 16.08.2011


Istoria mișcării informale, motivele apariției acesteia. Mișcări informale: caracteristici generale și tendințe principale de dezvoltare. Informale de orientare artistică. Sfera culturii externe. Clasificarea și principalele caracteristici ale informalelor.

rezumat, adăugat 22.01.2011


Specificul și istoria dezvoltării organizațiilor non-profit rusești. Formarea sistemului rus de legislație privind organizațiile non-profit. Clasificarea subofițerilor, scopurile și principiile de activitate ale acestora. Principiul beneficiului public. Tipologia ONG-urilor ruse.

test, adaugat 27.12.2016


Esența și principalele cauze ale sinuciderii, o evaluare a prevalenței acestui fenomen negativ în lumea modernă. Istoria formării și dezvoltării conceptului de sinucidere în Japonia, justificarea sa morală, etică, culturală. Fenomenul kamikaze.

lucrare de termen, adăugată 29.12.2013


Ce sunt abilitățile și clasificarea lor. Niveluri de dezvoltare a abilităților: abilitate, talent, talent, geniu; originea lor: genetică şi dobândită. Condiții pentru dezvoltarea abilităților. Influența abilităților asupra alegerii unei profesii.

lucrare stiintifica, adaugata 25.02.2009


Istoria jucăriilor „sovietice”. Aspectul sociologic al luării în considerare a jucăriilor. Valoarea jucăriilor moderne pentru societate. Trebuie să urmăriți ce și cum se joacă copilul dvs. Fii un exemplu pentru copilul tău. Creste cu el.

lucrare de termen, adăugată 23.06.2006


Asociațiile de amatori, relația lor cu statul și instituțiile publice. Istoria și cauzele mișcării informale. Conceptul, sarcinile, scopurile, cultura externă, simbolurile, caracteristicile principale și clasificarea informalelor.

rezumat, adăugat 03.04.2013


Sinuciderea ca fenomen social, identificarea cauzelor sale principale, gradul de răspândire în societatea modernă, istoria și etapele cercetării. Problema sinuciderii după Emile Durkheim, clasificarea tipurilor lor. Aplicarea principiilor „sociologiei”.