Mjeti kryesor për studimin e grimcave elementare. Historia e zbulimit të grimcave elementare: atomet, hadronet, kuarkët, vargjet. Një foton është një kuant "i animuar" i dritës Planck, d.m.th. kuantike e momentit mbartës të dritës

Prezantimi

1. Zbulimi i grimcave elementare

2. Teoritë e grimcave elementare

2.1. Elektrodinamika kuantike (QED)

2.2. Teoria e kuarkut

2.3. Teoria e bashkëveprimit elektrodobët

2.4. kromodinamika kuantike

konkluzioni

Letërsia

Prezantimi.

Në mesin dhe gjysmën e dytë të shekullit të njëzetë, u arritën rezultate vërtet të mahnitshme në ato degë të fizikës që merren me studimin e strukturës themelore të materies. Para së gjithash, kjo u shfaq në zbulimin e një morie të tërë grimcash të reja nënatomike. Zakonisht quhen grimca elementare, por jo të gjitha janë me të vërtetë elementare. Shumë prej tyre, nga ana tjetër, përbëhen nga grimca edhe më elementare.

Bota e grimcave nënatomike është vërtet e larmishme. Këto përfshijnë protonet dhe neutronet që përbëjnë bërthamat atomike, si dhe elektronet që rrotullohen rreth bërthamave. Por ka edhe grimca që praktikisht nuk ndodhin në lëndën që na rrethon. Jeta e tyre është jashtëzakonisht e shkurtër, është fraksioni më i vogël i sekondës. Pas kësaj kohe jashtëzakonisht të shkurtër, ato zbërthehen në grimca të zakonshme. Ka çuditërisht shumë grimca të tilla të paqëndrueshme jetëshkurtër: disa qindra prej tyre janë tashmë të njohura.

Në vitet 1960 dhe 1970, fizikanët ishin krejtësisht të hutuar nga bollëku, shumëllojshmëria dhe pazakontësia e grimcave nënatomike të sapo zbuluara. Ata dukej se nuk kishin fund. Është krejtësisht e pakuptueshme pse kaq shumë grimca. A janë këto grimca elementare fragmente kaotike dhe të rastësishme të materies? Apo ndoshta ata mbajnë çelësin për të kuptuar strukturën e universit? Zhvillimi i fizikës në dekadat në vijim tregoi se nuk ka asnjë dyshim për ekzistencën e një strukture të tillë. Në fund të shekullit të njëzetë. fizika fillon të kuptojë se cila është rëndësia e secilës prej grimcave elementare.

Bota e grimcave nënatomike ka një rend të thellë dhe racional. Ky renditje bazohet në ndërveprimet fizike themelore.

1. Zbulimi i grimcave elementare.

Zbulimi i grimcave elementare ishte rezultat i natyrshëm i përparimit të përgjithshëm në studimin e strukturës së materies, i arritur nga fizika në fund të shekullit të 19-të. Ai u përgatit nga studime gjithëpërfshirëse të spektrave optike të atomeve, studimi i fenomeneve elektrike në lëngje dhe gaze, zbulimi i fotoelektricitetit, rrezeve x, radioaktivitetit natyror, të cilat dëshmuan për ekzistencën e një strukture komplekse të materies.

Historikisht, grimca e parë elementare e zbuluar ishte elektroni - bartësi i ngarkesës elektrike elementare negative në atome. Në 1897, J. J. Thomson vendosi që të ashtuquajturat. Rrezet katodike formohen nga një rrymë grimcash të vogla, të cilat quheshin elektrone. Në vitin 1911, E. Rutherford, duke kaluar grimcat alfa nga një burim natyror radioaktiv përmes fletëve të holla të substancave të ndryshme, zbuloi se ngarkesa pozitive në atome është e përqendruar në formacione kompakte - bërthama, dhe në vitin 1919 zbuloi protone - grimca me njësi ngarkesë pozitive. dhe një masë 1840 herë më e madhe se masa e një elektroni. Një grimcë tjetër që përbën bërthamën, neutronin, u zbulua në vitin 1932 nga J. Chadwick gjatë studimit të ndërveprimit të grimcave a me beriliumin. Neutroni ka një masë të afërt me atë të protonit, por nuk ka ngarkesë elektrike. Zbulimi i neutronit përfundoi identifikimin e grimcave - elementet strukturore të atomeve dhe bërthamave të tyre.

Përfundimi për ekzistencën e një grimce të fushës elektromagnetike - një foton - buron nga puna e M. Planck (1900). Duke supozuar se energjia e rrezatimit elektromagnetik të një trupi absolutisht të zi është e kuantizuar, Planck mori formulën e saktë për spektrin e rrezatimit. Duke zhvilluar idenë e Planck-ut, A. Einstein (1905) supozoi se rrezatimi elektromagnetik (drita) është në fakt një rrjedhë kuantesh individuale (fotone), dhe mbi këtë bazë shpjegoi ligjet e efektit fotoelektrik. Dëshmi të drejtpërdrejta eksperimentale për ekzistencën e fotonit u dhanë nga R. Millikan (1912-1915) dhe A. Compton (1922).

Zbulimi i neutrinës, një grimcë që pothuajse nuk ndërvepron me materien, buron nga hamendësimi teorik i W. Pauli (1930), i cili bëri të mundur, duke supozuar lindjen e një grimce të tillë, eliminimin e vështirësive me ligjin e ruajtja e energjisë në proceset e zbërthimit beta të bërthamave radioaktive. Ekzistenca e neutrinos u konfirmua eksperimentalisht vetëm në vitin 1953 (F. Reines dhe K. Cowen, SHBA).

Nga vitet '30 deri në fillim të viteve '50. studimi i grimcave elementare ishte i lidhur ngushtë me studimin e rrezeve kozmike. Në vitin 1932, në përbërjen e rrezeve kozmike, K. Anderson zbuloi pozitronin (e +) - një grimcë me masën e një elektroni, por me një ngarkesë elektrike pozitive. Pozitroni ishte antigrimca e parë e zbuluar. Ekzistenca e e+ rrjedh drejtpërdrejt nga teoria relativiste e elektronit e zhvilluar nga P. Dirac (1928-31) pak para zbulimit të pozitronit. Në vitin 1936, fizikantët amerikanë K. Anderson dhe S. Neddermeyer zbuluan muone (të të dyja shenjave të ngarkesës elektrike) në studimin e rrezeve osmike - grimca me një masë prej rreth 200 masa elektronesh, por përndryshe çuditërisht të ngjashme në vetitë me e-, e +.

Në vitin 1947, gjithashtu në rrezet kozmike, grupi i S. Powell zbuloi p+ dhe p- mezone me një masë prej 274 masash elektronike, të cilat luajnë një rol të rëndësishëm në bashkëveprimin e protoneve me neutronet në bërthama. Ekzistenca e grimcave të tilla u sugjerua nga H. Yukawa në 1935.

Fundi i viteve 40 - fillimi i viteve 50. u shënuan nga zbulimi i një grupi të madh grimcash me veti të pazakonta, të quajtura "të çuditshme". Grimcat e para të këtij grupi, mesonet K + - dhe K -, hiperonet L-, S + -, S- -, X- - u zbuluan në rrezet kozmike, zbulimet e mëvonshme të grimcave të çuditshme u bënë në përshpejtuesit - instalimet që krijojnë flukse intensive të protoneve dhe elektroneve të shpejta. Kur përplasen me lëndën, protonet dhe elektronet e përshpejtuara krijojnë grimca të reja elementare, të cilat bëhen objekt studimi.

Nga fillimi i viteve 50. përshpejtuesit janë bërë mjeti kryesor për studimin e grimcave elementare. Në vitet 70. energjitë e grimcave të shpërndara në përshpejtues arritën në dhjetëra e qindra miliarda elektron volt (GeV). Dëshira për të rritur energjitë e grimcave është për faktin se energjitë e larta hapin mundësinë e studimit të strukturës së materies në distanca më të shkurtra, aq më e lartë është energjia e grimcave që përplasen. Përshpejtuesit rritën ndjeshëm shkallën e marrjes së të dhënave të reja dhe në një kohë të shkurtër zgjeruan dhe pasuruan njohuritë tona për vetitë e mikrobotës. Përdorimi i përshpejtuesve për të studiuar grimcat e çuditshme bëri të mundur studimin më të detajuar të vetive të tyre, në veçanti veçorive të kalbjes së tyre dhe së shpejti çoi në një zbulim të rëndësishëm: sqarimin e mundësisë së ndryshimit të karakteristikave të disa mikroproceseve gjatë operimit. i pasqyrimit të pasqyrës - të ashtuquajturat. shkelje e hapësirave, barazi (1956). Vënia në punë e përshpejtuesve të protoneve me energji prej miliarda elektron volt bëri të mundur zbulimin e antigrimcave të rënda: antiprotonin (1955), antineutronin (1956) dhe hiperonet antisigma (1960). Në vitin 1964, u zbulua hiperoni më i rëndë W- (me një masë prej rreth dy masash protonike). Në vitet 1960 në përshpejtuesit u zbuluan një numër i madh grimcash jashtëzakonisht të paqëndrueshme (në krahasim me grimcat e tjera elementare të paqëndrueshme), të cilat u quajtën "rezonanca". Masat e shumicës së rezonancave tejkalojnë masën e protonit. E para prej tyre D1 (1232) është e njohur që nga viti 1953. Doli se rezonancat përbëjnë pjesën kryesore të grimcave elementare.

Në vitin 1962, u zbulua se ka dy neutrino të ndryshme: elektron dhe muon. Në vitin 1964, në zbërthimet e K-mezoneve neutrale, u zbulua i ashtuquajturi jokonservim. barazi e kombinuar (prezantuar nga Li Tsung-tao dhe Yang Chen-ning dhe në mënyrë të pavarur nga L. D. Landau në 1956), që nënkupton nevojën për të rishikuar pikëpamjet e zakonshme mbi sjelljen e proceseve fizike në funksionimin e reflektimit të kohës.

Në vitin 1974, u zbuluan grimca y masive (3-4 masa protonike) dhe në të njëjtën kohë relativisht të qëndrueshme, me një jetë jashtëzakonisht të gjatë për rezonanca. Ata rezultuan të ishin të lidhur ngushtë me një familje të re grimcash elementare - "të magjepsura", përfaqësuesit e parë të të cilave (D0, D+, Lc) u zbuluan në 1976. Në 1975, informacioni i parë për ekzistencën e një analoge të rëndë të u përftua elektroni dhe muoni (lepton i rëndë t). Në vitin 1977, u zbuluan grimcat Ў me një masë të rendit të dhjetë masave protonike.

Kështu, gjatë viteve që kanë kaluar që nga zbulimi i elektronit, janë zbuluar një numër i madh i mikrogrimcave të ndryshme të materies. Bota e grimcave elementare doli të ishte mjaft e ndërlikuar. Vetitë e grimcave elementare të zbuluara doli të ishin të papritura në shumë aspekte. Për t'i përshkruar ato, përveç karakteristikave të huazuara nga fizika klasike, si ngarkesa elektrike, masa, momenti këndor, ishte e nevojshme të futeshin edhe shumë karakteristika të reja të veçanta, në veçanti, të përshkruheshin grimcat elementare të çuditshme - çuditshmëria (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), grimcat elementare të "magjepsura" - "bukuri" (fizikanët amerikanë J. Bjorken, S. Glashow, 1964); tashmë emrat e karakteristikave të mësipërme pasqyrojnë natyrën e pazakontë të vetive të grimcave elementare që ato përshkruajnë.

Studimi i strukturës së brendshme të materies dhe vetive të grimcave elementare që në hapat e tij të parë u shoqërua me një rishikim rrënjësor të shumë koncepteve dhe ideve të vendosura. Rregullsitë që rregullonin sjelljen e materies në të vogla rezultuan të ishin aq të ndryshme nga rregullsitë e mekanikës klasike dhe elektrodinamikës, saqë kërkonin ndërtime teorike krejtësisht të reja për përshkrimin e tyre.

Dhe vlerat e dëshiruara. Sekuenca e veprimeve që duhet të kryhen për të kaluar nga të dhënat fillestare në vlerat e dëshiruara quhet algoritëm. 2. Zhvillimi historik i modeleve të grimcave elementare 2.1 Tri faza në zhvillimin e fizikës së grimcave elementare Faza e parë. Nga elektroni në pozitron: 1897-1932 (Grimcat elementare - "Atomet e Demokritit" në një nivel më të thellë) Kur greku...

Një numër i kufizuar fenomenesh: mekanika e Njutonit, ose një krijim teknologjie larg nga optimale ose perfekte: linja e linjës Titanic, avioni Tu-144, Concorde, termocentrali bërthamor i Çernobilit, anije kozmike të serisë Shuttle dhe shumë, shumë më tepër. 3. Zhvillimi i një qasjeje sistematike në shkencë 3.1 Përpjekjet e hershme për të sistemuar njohuritë fizike Përpjekja e parë vërtet e suksesshme për të sistemuar njohuritë rreth ...

PLANI

Prezantimi

1. Zbulimi i grimcave elementare

2. Teoritë e grimcave elementare

2.1. Elektrodinamika kuantike (QED)

2.2. Teoria e kuarkut

2.3. Teoria e bashkëveprimit elektrodobët

2.4. kromodinamika kuantike

konkluzioni

Letërsia

Prezantimi.

Në mesin dhe gjysmën e dytë të shekullit të njëzetë, u arritën rezultate vërtet të mahnitshme në ato degë të fizikës që merren me studimin e strukturës themelore të materies. Para së gjithash, kjo u shfaq në zbulimin e një morie të tërë grimcash të reja nënatomike. Zakonisht quhen grimca elementare, por jo të gjitha janë me të vërtetë elementare. Shumë prej tyre, nga ana tjetër, përbëhen nga grimca edhe më elementare.

Bota e grimcave nënatomike është vërtet e larmishme. Këto përfshijnë protonet dhe neutronet që përbëjnë bërthamat atomike, si dhe elektronet që rrotullohen rreth bërthamave. Por ka edhe grimca që praktikisht nuk ndodhin në lëndën që na rrethon. Jeta e tyre është jashtëzakonisht e shkurtër, është fraksioni më i vogël i sekondës. Pas kësaj kohe jashtëzakonisht të shkurtër, ato zbërthehen në grimca të zakonshme. Ka çuditërisht shumë grimca të tilla të paqëndrueshme jetëshkurtër: disa qindra prej tyre janë tashmë të njohura.

Në vitet 1960 dhe 1970, fizikanët ishin krejtësisht të hutuar nga bollëku, shumëllojshmëria dhe pazakontësia e grimcave nënatomike të sapo zbuluara. Ata dukej se nuk kishin fund. Është krejtësisht e pakuptueshme pse kaq shumë grimca. A janë këto grimca elementare fragmente kaotike dhe të rastësishme të materies? Apo ndoshta ata mbajnë çelësin për të kuptuar strukturën e universit? Zhvillimi i fizikës në dekadat në vijim tregoi se nuk ka asnjë dyshim për ekzistencën e një strukture të tillë. Në fund të shekullit të njëzetë. fizika fillon të kuptojë se cila është rëndësia e secilës prej grimcave elementare.

Bota e grimcave nënatomike ka një rend të thellë dhe racional. Ky renditje bazohet në ndërveprimet fizike themelore.

1. Zbulimi i grimcave elementare.

Zbulimi i grimcave elementare ishte rezultat i natyrshëm i përparimit të përgjithshëm në studimin e strukturës së materies, i arritur nga fizika në fund të shekullit të 19-të. Ai u përgatit nga studime gjithëpërfshirëse të spektrave optike të atomeve, studimi i fenomeneve elektrike në lëngje dhe gaze, zbulimi i fotoelektricitetit, rrezeve x, radioaktivitetit natyror, të cilat dëshmuan për ekzistencën e një strukture komplekse të materies.

Historikisht, grimca e parë elementare e zbuluar ishte elektroni - bartësi i ngarkesës elektrike elementare negative në atome. Në 1897, J. J. Thomson vendosi që të ashtuquajturat. Rrezet katodike formohen nga një rrymë grimcash të vogla, të cilat quheshin elektrone. Në vitin 1911, E. Rutherford, duke kaluar grimcat alfa nga një burim natyror radioaktiv përmes fletëve të holla të substancave të ndryshme, zbuloi se ngarkesa pozitive në atome është e përqendruar në formacione kompakte - bërthama, dhe në vitin 1919 zbuloi protone - grimca me njësi ngarkesë pozitive. dhe një masë 1840 herë më e madhe se masa e një elektroni. Një grimcë tjetër që përbën bërthamën, neutronin, u zbulua në vitin 1932 nga J. Chadwick gjatë studimit të ndërveprimit të grimcave a me beriliumin. Neutroni ka një masë të afërt me atë të protonit, por nuk ka ngarkesë elektrike. Zbulimi i neutronit përfundoi identifikimin e grimcave - elementet strukturore të atomeve dhe bërthamave të tyre.

Përfundimi për ekzistencën e një grimce të fushës elektromagnetike - një foton - buron nga puna e M. Planck (1900). Duke supozuar se energjia e rrezatimit elektromagnetik të një trupi absolutisht të zi është e kuantizuar, Planck mori formulën e saktë për spektrin e rrezatimit. Duke zhvilluar idenë e Planck-ut, A. Einstein (1905) supozoi se rrezatimi elektromagnetik (drita) është në fakt një rrjedhë kuantesh individuale (fotone), dhe mbi këtë bazë shpjegoi ligjet e efektit fotoelektrik. Dëshmi të drejtpërdrejta eksperimentale për ekzistencën e fotonit u dhanë nga R. Millikan (1912-1915) dhe A. Compton (1922).

Zbulimi i neutrinës, një grimcë që pothuajse nuk ndërvepron me materien, buron nga hamendësimi teorik i W. Pauli (1930), i cili bëri të mundur, duke supozuar lindjen e një grimce të tillë, eliminimin e vështirësive me ligjin e ruajtja e energjisë në proceset e zbërthimit beta të bërthamave radioaktive. Ekzistenca e neutrinos u konfirmua eksperimentalisht vetëm në vitin 1953 (F. Reines dhe K. Cowen, SHBA).

Nga vitet '30 deri në fillim të viteve '50. studimi i grimcave elementare ishte i lidhur ngushtë me studimin e rrezeve kozmike. Në vitin 1932, në përbërjen e rrezeve kozmike, K. Anderson zbuloi pozitronin (e +) - një grimcë me masën e një elektroni, por me një ngarkesë elektrike pozitive. Pozitroni ishte antigrimca e parë e zbuluar. Ekzistenca e e+ rrjedh drejtpërdrejt nga teoria relativiste e elektronit e zhvilluar nga P. Dirac (1928-31) pak para zbulimit të pozitronit. Në vitin 1936, fizikantët amerikanë K. Anderson dhe S. Neddermeyer zbuluan muone (të të dyja shenjave të ngarkesës elektrike) në studimin e rrezeve osmike - grimca me një masë prej rreth 200 masa elektronesh, por përndryshe çuditërisht të ngjashme në vetitë me e-, e +.

Në vitin 1947, gjithashtu në rrezet kozmike, grupi i S. Powell zbuloi p+ dhe p- mezone me një masë prej 274 masash elektronike, të cilat luajnë një rol të rëndësishëm në bashkëveprimin e protoneve me neutronet në bërthama. Ekzistenca e grimcave të tilla u sugjerua nga H. Yukawa në 1935.

Fundi i viteve 40 - fillimi i viteve 50. u shënuan nga zbulimi i një grupi të madh grimcash me veti të pazakonta, të quajtura "të çuditshme". Grimcat e para të këtij grupi, mesonet K + - dhe K -, hiperonet L-, S + -, S- -, X- - u zbuluan në rrezet kozmike, zbulimet e mëvonshme të grimcave të çuditshme u bënë në përshpejtuesit - instalimet që krijojnë flukse intensive të protoneve dhe elektroneve të shpejta. Kur përplasen me lëndën, protonet dhe elektronet e përshpejtuara krijojnë grimca të reja elementare, të cilat bëhen objekt studimi.

Nga fillimi i viteve 50. përshpejtuesit janë bërë mjeti kryesor për studimin e grimcave elementare. Në vitet 70. energjitë e grimcave të shpërndara në përshpejtues arritën në dhjetëra e qindra miliarda elektron volt (GeV). Dëshira për të rritur energjitë e grimcave është për faktin se energjitë e larta hapin mundësinë e studimit të strukturës së materies në distanca më të shkurtra, aq më e lartë është energjia e grimcave që përplasen. Përshpejtuesit rritën ndjeshëm shkallën e marrjes së të dhënave të reja dhe në një kohë të shkurtër zgjeruan dhe pasuruan njohuritë tona për vetitë e mikrobotës. Përdorimi i përshpejtuesve për të studiuar grimcat e çuditshme bëri të mundur studimin më të detajuar të vetive të tyre, në veçanti veçorive të kalbjes së tyre dhe së shpejti çoi në një zbulim të rëndësishëm: sqarimin e mundësisë së ndryshimit të karakteristikave të disa mikroproceseve gjatë operimit. i pasqyrimit të pasqyrës - të ashtuquajturat. shkelje e hapësirave, barazi (1956). Vënia në punë e përshpejtuesve të protoneve me energji prej miliarda elektron volt bëri të mundur zbulimin e antigrimcave të rënda: antiprotonin (1955), antineutronin (1956) dhe hiperonet antisigma (1960). Në vitin 1964, u zbulua hiperoni më i rëndë W- (me një masë prej rreth dy masash protonike). Në vitet 1960 në përshpejtuesit u zbuluan një numër i madh grimcash jashtëzakonisht të paqëndrueshme (në krahasim me grimcat e tjera elementare të paqëndrueshme), të cilat u quajtën "rezonanca". Masat e shumicës së rezonancave tejkalojnë masën e protonit. E para prej tyre D1 (1232) është e njohur që nga viti 1953. Doli se rezonancat përbëjnë pjesën kryesore të grimcave elementare.

Në vitin 1962, u zbulua se ka dy neutrino të ndryshme: elektron dhe muon. Në vitin 1964, në zbërthimet e K-mezoneve neutrale, u zbulua i ashtuquajturi jokonservim. barazi e kombinuar (prezantuar nga Li Tsung-tao dhe Yang Chen-ning dhe në mënyrë të pavarur nga L. D. Landau në 1956), që nënkupton nevojën për të rishikuar pikëpamjet e zakonshme mbi sjelljen e proceseve fizike në funksionimin e reflektimit të kohës.

Në vitin 1974, u zbuluan grimca y masive (3-4 masa protonike) dhe në të njëjtën kohë relativisht të qëndrueshme, me një jetë jashtëzakonisht të gjatë për rezonanca. Ata rezultuan të ishin të lidhur ngushtë me një familje të re grimcash elementare - "të magjepsura", përfaqësuesit e parë të të cilave (D0, D+, Lc) u zbuluan në 1976. Në 1975, informacioni i parë për ekzistencën e një analoge të rëndë të u përftua elektroni dhe muoni (lepton i rëndë t). Në vitin 1977, u zbuluan grimcat Ў me një masë të rendit të dhjetë masave protonike.

Kështu, gjatë viteve që kanë kaluar që nga zbulimi i elektronit, janë zbuluar një numër i madh i mikrogrimcave të ndryshme të materies. Bota e grimcave elementare doli të ishte mjaft e ndërlikuar. Vetitë e grimcave elementare të zbuluara doli të ishin të papritura në shumë aspekte. Për t'i përshkruar ato, përveç karakteristikave të huazuara nga fizika klasike, si ngarkesa elektrike, masa, momenti këndor, ishte e nevojshme të futeshin edhe shumë karakteristika të reja të veçanta, në veçanti, të përshkruheshin grimcat elementare të çuditshme - çuditshmëria (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), grimcat elementare të "magjepsura" - "bukuri" (fizikanët amerikanë J. Bjorken, S. Glashow, 1964); tashmë emrat e karakteristikave të mësipërme pasqyrojnë natyrën e pazakontë të vetive të grimcave elementare që ato përshkruajnë.

Studimi i strukturës së brendshme të materies dhe vetive të grimcave elementare që në hapat e tij të parë u shoqërua me një rishikim rrënjësor të shumë koncepteve dhe ideve të vendosura. Rregullsitë që rregullonin sjelljen e materies në të vogla rezultuan të ishin aq të ndryshme nga rregullsitë e mekanikës klasike dhe elektrodinamikës, saqë kërkonin ndërtime teorike krejtësisht të reja për përshkrimin e tyre.

2. Teoritë e grimcave elementare

2.1. Elektrodinamika kuantike (QED)

Mekanika kuantike bën të mundur përshkrimin e lëvizjes së grimcave elementare, por jo gjenerimin ose asgjësimin e tyre, d.m.th., përdoret vetëm për të përshkruar sisteme me një numër konstant grimcash. Një përgjithësim i mekanikës kuantike është teoria kuantike e fushës - është një teori kuantike e sistemeve me një numër të pafund shkallësh lirie (fusha fizike). Nevoja për një teori të tillë krijohet nga dualizmi i valëve kuantike, ekzistenca e vetive valore në të gjitha grimcat. Në teorinë kuantike të fushës, bashkëveprimi paraqitet si rezultat i shkëmbimit të kuanteve të fushës.

Në mesin e shekullit të njëzetë. u krijua teoria e ndërveprimit elektromagnetik - elektrodinamika kuantike e QED është një teori e bashkëveprimit të fotoneve dhe elektroneve, e menduar deri në detajet më të vogla dhe e pajisur me një aparat të përsosur matematikor. QED bazohet në përshkrimin e ndërveprimit elektromagnetik duke përdorur konceptin e fotoneve virtuale - bartësit e tij. Kjo teori plotëson parimet bazë të teorisë kuantike dhe relativitetit.

Në qendër të teorisë është analiza e akteve të emetimit ose thithjes së një fotoni nga një grimcë e ngarkuar, si dhe asgjësimi i një çifti elektron-pozitron në një foton ose gjenerimi i një çifti të tillë nga fotonet.

Nëse në përshkrimin klasik elektronet përfaqësohen si një top me pikë të ngurtë, atëherë në QED fusha elektromagnetike që rrethon elektronin konsiderohet si një re e fotoneve virtuale që ndjek në mënyrë të pamëshirshme elektronin, duke e rrethuar atë me kuanta energjetike. Pasi një elektron lëshon një foton, ai krijon një pore (virtuale) elektron-pozitron që mund të asgjësohet për të formuar një foton të ri. Ky i fundit mund të absorbohet nga fotoni origjinal, por mund të krijojë një çift të ri, e kështu me radhë. Kështu, elektroni është i mbuluar me një re të fotoneve, elektroneve dhe pozitroneve virtuale, të cilat janë në një gjendje ekuilibri dinamik. Fotonet shfaqen dhe zhduken shumë shpejt, dhe elektronet lëvizin në hapësirë ​​përgjatë trajektoreve jo mjaft të përcaktuara. Është ende e mundur të përcaktohen në një mënyrë ose në një tjetër pikat e fillimit dhe mbarimit të shtegut - para dhe pas shpërndarjes, por vetë rruga në intervalin midis fillimit dhe fundit të lëvizjes mbetet e papërcaktuar.

Përshkrimi i ndërveprimit me ndihmën e një grimce bartëse çoi në një zgjerim të konceptit të një fotoni. Prezantohen konceptet e një fotoni real (një sasi drite të dukshme për ne) dhe një foton virtual (kalimtar, fantazmë), të cilat "shihen" vetëm nga grimcat e ngarkuara që i nënshtrohen shpërndarjes.

Për të testuar nëse teoria përputhet me realitetin, fizikanët u fokusuan në dy efekte me interes të veçantë. E para kishte të bënte me nivelet e energjisë së atomit të hidrogjenit, atomit më të thjeshtë. Sipas QED, nivelet duhet të zhvendosen pak në lidhje me pozicionin që do të zinin në mungesë të fotoneve virtuale. Testi i dytë vendimtar i QED kishte të bënte me një korrigjim jashtëzakonisht të vogël të momentit magnetik të elektronit. Rezultatet teorike dhe eksperimentale të verifikimit QED përkojnë me saktësinë më të lartë - më shumë se nëntë shifra dhjetore. Një korrespondencë e tillë goditëse jep të drejtën për ta konsideruar QED si më të përsosurën nga teoritë ekzistuese të shkencës natyrore.

Pas një triumfi të ngjashëm, QED u miratua si model për përshkrimin kuantik të tre ndërveprimeve të tjera themelore. Sigurisht, fushat e lidhura me ndërveprime të tjera duhet të korrespondojnë me grimcat e tjera bartëse.

2.2. Teoria e kuarkut

Teoria e kuarkeve është teoria e strukturës së hadroneve. Ideja bazë e kësaj teorie është shumë e thjeshtë. Të gjithë hadronet janë ndërtuar nga grimca më të vogla të quajtura kuarke. Kjo do të thotë se kuarkët janë më shumë grimca elementare sesa hadronet. Kuarkët mbartin një ngarkesë elektrike të pjesshme: ata kanë një ngarkesë që është ose -1/3 ose +2/3 e njësisë themelore, ngarkesës së elektronit. Një kombinim i dy dhe tre kuarkeve mund të ketë një ngarkesë totale të barabartë me zero ose një. Të gjithë kuarkët kanë spin S, pra janë fermione. Themeluesit e teorisë së kuarkeve Gell-Mann dhe Zweig, për të marrë parasysh të gjithë të njohurit në vitet '60. hadronët prezantuan tre lloje (shije) kuarkesh: u (nga lart-lart), d (nga poshtë-poshtë) dhe s (nga i çuditshëm - i çuditshëm).

Kuarkët mund të kombinohen me njëri-tjetrin në një nga dy mënyrat e mundshme: ose në treshe ose në çifte kuark-antikuark. Tre kuarkë përbëjnë grimca relativisht të rënda - barionet, që do të thotë "grimca të rënda". Barionet më të njohura janë neutroni dhe protoni. Çiftet më të lehta kuark-antiquarku formojnë grimca të quajtura mesone - "grimca të ndërmjetme". Për shembull, një proton përbëhet nga dy u- dhe një d-kuarkë (uud), dhe një neutron përbëhet nga dy kuarkë d dhe një u-kuark (udd). Në mënyrë që kjo "treshe" kuarkesh të mos kalbet, nevojitet një forcë për t'i mbajtur ato, një "ngjitës" i caktuar.

Doli se ndërveprimi që rezulton midis neutroneve dhe protoneve në bërthamë është thjesht një efekt i mbetur i një ndërveprimi më të fuqishëm midis vetë kuarkut. Kjo shpjegoi pse forca e fortë duket kaq e ndërlikuar. Kur një proton "ngjitet" me një neutron ose një proton tjetër, gjashtë kuarkë përfshihen në bashkëveprim, secili prej të cilëve ndërvepron me të gjithë të tjerët. Një pjesë e konsiderueshme e forcave shpenzohet për ngjitjen e fortë të një treshe kuarkesh, dhe një pjesë e vogël shpenzohet për lidhjen e dy tresheve kuarke me njëri-tjetrin. (Por doli që kuarkët marrin pjesë edhe në ndërveprime të dobëta. Një bashkëveprim i dobët mund të ndryshojë shijen e një kuarku. Pikërisht kështu ndodh prishja e një neutroni. Një nga kuarkët d në neutron kthehet në një kuark u , dhe ngarkesa e tepërt mbart elektronin që lind në të njëjtën kohë. Në mënyrë të ngjashme, ndryshimi i shijes, ndërveprimi i dobët çon në prishjen e hadroneve të tjerë.)

Fakti që të gjithë hadronet e njohur mund të merren nga kombinime të ndryshme të tre grimcave bazë ishte një triumf për teorinë e kuarkut. Por në vitet '70. u zbuluan hadrone të rinj (grimca psi, mezon upsilon etj.). Kjo i dha një goditje versionit të parë të teorisë së kuarkut, pasi nuk kishte vend për një grimcë të vetme të re në të. Të gjitha kombinimet e mundshme të kuarkeve dhe antikuarkeve të tyre tashmë janë ezauruar.

Problemi u zgjidh duke futur tre shije të reja. E kanë marrë emrin - sharmi (bukuri), ose me; b-kuark (nga fundi - fundi, dhe më shpesh bukuria - bukuri, ose hijeshi); më pas, u prezantua një shije tjetër - t (nga lart - lart).

Kuarkët mbahen së bashku nga një forcë e fortë. Bartësit e ndërveprimit të fortë janë gluonet (ngarkesat me ngjyra). Fusha e fizikës së grimcave elementare që studion ndërveprimin e kuarkeve dhe gluoneve quhet kromodinamikë kuantike. Ashtu si elektrodinamika kuantike është teoria e ndërveprimit elektromagnetik, kështu kromodinamika kuantike është teoria e bashkëveprimit të fortë.

Megjithëse ka pakënaqësi me skemën e kuarkut, shumica e fizikanëve i konsiderojnë kuarket si grimca me të vërtetë elementare - të ngjashme me pika, të pandashme dhe pa strukturë të brendshme. Në këtë aspekt ata u ngjajnë leptonëve dhe prej kohësh supozohet se duhet të ketë një marrëdhënie të thellë midis këtyre dy familjeve të dallueshme, por strukturalisht të ngjashme.

Kështu, numri më i mundshëm i grimcave vërtet elementare (pa llogaritur bartësit e ndërveprimeve themelore) në fund të shekullit të 20-të është 48. Nga këto: leptone (6x2) = 12 plus kuarke (6x3)x2 = 36.

2.3. Teoria e bashkëveprimit elektrodobët

Në vitet 70 të shekullit të njëzetë, një ngjarje e jashtëzakonshme ndodhi në shkencën e natyrës: dy ndërveprime nga katër fizikantë u kombinuan në një. Pamja e themeleve themelore të natyrës është thjeshtuar disi. Ndërveprimet elektromagnetike dhe të dobëta, në dukje shumë të ndryshme në natyrë, në realitet rezultuan të ishin dy lloje të një të ashtuquajturi të vetëm. ndërveprim elektro-dobët. Teoria e ndërveprimit elektro-dobët ndikoi në mënyrë vendimtare në zhvillimin e mëtejshëm të fizikës së grimcave elementare në fund të shekullit të 20-të.

Ideja kryesore në ndërtimin e kësaj teorie ishte përshkrimi i ndërveprimit të dobët në termat e konceptit të fushës së matësit, sipas të cilit çelësi për të kuptuar natyrën e ndërveprimeve është simetria. Një nga idetë themelore në fizikën e gjysmës së dytë të shekullit të njëzetë. është besimi se të gjitha ndërveprimet ekzistojnë vetëm për të ruajtur një grup të caktuar simetrish abstrakte në natyrë. Çfarë lidhje ka simetria me ndërveprimet themelore? Në pamje të parë, vetë supozimi i ekzistencës së një lidhjeje të tillë duket paradoksal dhe i pakuptueshëm.

Para së gjithash, për atë që nënkuptohet me simetri. Në përgjithësi pranohet që një objekt ka simetri nëse objekti mbetet i pandryshuar si rezultat i një ose një tjetër operacioni për ta transformuar atë. Kështu, një sferë është simetrike sepse duket e njëjtë kur rrotullohet përmes çdo këndi nga qendra e saj. Ligjet e energjisë elektrike janë simetrike në lidhje me zëvendësimin e ngarkesave pozitive me ato negative dhe anasjelltas. Kështu, me simetri nënkuptojmë pandryshueshmëri në lidhje me disa operacione.

Ekzistojnë lloje të ndryshme simetrish: gjeometrike, pasqyre, jogjeometrike. Ndër ato jogjeometrike ka të ashtuquajturat simetritë e matësve. Simetritë e matësve janë abstrakte dhe nuk fiksohen drejtpërdrejt. Ato shoqërohen me një ndryshim në numërimin mbrapsht niveli, shkalla ose vlera disa sasi fizike . Një sistem ka simetri matës nëse natyra e tij mbetet e pandryshuar nën këtë lloj transformimi. Kështu, për shembull, në fizikë, puna varet nga ndryshimi në lartësi, dhe jo nga lartësia absolute; tension - nga diferenca potenciale, dhe jo nga vlerat e tyre absolute, etj. Simetritë mbi të cilat bazohet rishikimi i të kuptuarit të katër ndërveprimeve themelore janë pikërisht të këtij lloji. Transformimet e matësve mund të jenë globale ose lokale. Transformimet e matësve që ndryshojnë nga pika në pikë njihen si transformime matës "lokale". Ekzistojnë një sërë simetrish të matësit lokalë në natyrë dhe nevojitet një numër i përshtatshëm fushash për të kompensuar këto transformime të matësit. Fushat e forcës mund të shihen si një mjet me të cilin natyra krijon simetritë e saj të natyrshme të matësit lokal. Rëndësia e konceptit të simetrisë së matësit qëndron në faktin se, falë tij, modelohen teorikisht të katër ndërveprimet themelore që ndodhin në natyrë. Të gjitha ato mund të konsiderohen si fusha matës.

Duke përfaqësuar ndërveprimin e dobët si një fushë matës, fizikanët rrjedhin nga fakti se të gjitha grimcat që marrin pjesë në bashkëveprimin e dobët shërbejnë si burime të një lloji të ri të fushës - fusha e forcave të dobëta. Grimcat që ndërveprojnë dobët, të tilla si elektronet dhe neutrinot, mbajnë një "ngarkesë të dobët" që është analoge me një ngarkesë elektrike dhe i lidh këto grimca me një fushë të dobët.

Për të paraqitur fushën e dobët të ndërveprimit si një fushë matës, fillimisht është e nevojshme të përcaktohet forma e saktë e simetrisë së matësit përkatës. Fakti është se simetria e bashkëveprimit të dobët është shumë më e ndërlikuar se ajo elektromagnetike. Në fund të fundit, vetë mekanizmi i këtij ndërveprimi është më kompleks. Së pari, në zbërthimin e një neutroni, për shembull, grimcat e të paktën katër llojeve të ndryshme (neutron, proton, elektron dhe neutrinon) marrin pjesë në bashkëveprimin e dobët. Së dyti, veprimi i forcave të dobëta çon në një ndryshim në natyrën e tyre (shndërrimi i disa grimcave në të tjera për shkak të ndërveprimit të dobët). Përkundrazi, bashkëveprimi elektromagnetik nuk e ndryshon natyrën e grimcave që marrin pjesë në të.

Kjo përcakton faktin se ndërveprimi i dobët korrespondon me një simetri matës më komplekse të shoqëruar me një ndryshim në natyrën e grimcave. Doli se tre fusha të reja të forcës nevojiten për të ruajtur simetrinë këtu, në kontrast me një fushë të vetme elektromagnetike. Është marrë gjithashtu një përshkrim kuantik i këtyre tre fushave: duhet të ketë tre lloje të reja të grimcave - bartës të ndërveprimit, një për secilën fushë. Të gjithë quhen bozone vektoriale të rënda me spin 1 dhe janë bartës të bashkëveprimit të dobët.

Grimcat W + dhe W - janë bartës të dy prej tre fushave të lidhura me ndërveprimin e dobët. Fusha e tretë korrespondon me një grimcë bartëse elektrike neutrale të quajtur grimca Z. Ekzistenca e grimcës Z do të thotë që ndërveprimi i dobët mund të mos shoqërohet me transferimin e ngarkesës elektrike.

Koncepti i thyerjes spontane të simetrisë luajti një rol kyç në krijimin e teorisë së ndërveprimit elektro-dobët: jo çdo zgjidhje e një problemi duhet të ketë të gjitha vetitë e nivelit të tij fillestar. Kështu, grimcat që janë krejtësisht të ndryshme në energji të ulëta mund të jenë në të vërtetë e njëjta grimcë në energji të lartë, por në gjendje të ndryshme. Bazuar në idenë e thyerjes spontane të simetrisë, autorët e teorisë së ndërveprimit elektro-dobët, Weinberg dhe Salam, arritën të zgjidhin një problem të madh teorik - ata kombinuan gjëra në dukje të papajtueshme (një masë e konsiderueshme e bartësve të dobët të ndërveprimit, nga njëra anë, dhe ideja e pandryshueshmërisë së matësit, e cila nënkupton natyrën me rreze të gjatë të fushës së matësit, dhe nënkupton masën zero të pushimit të grimcave bartëse, nga ana tjetër) dhe kështu kombinon elektromagnetizmin dhe ndërveprimin e dobët në një teori të unifikuar të fushës matës.

Në këtë teori, përfaqësohen vetëm katër fusha: fusha elektromagnetike dhe tre fusha që korrespondojnë me ndërveprime të dobëta. Përveç kësaj, është prezantuar një fushë skalare (të ashtuquajturat fusha Higgs) që është konstante në të gjithë hapësirën, me të cilën grimcat ndërveprojnë në mënyra të ndryshme, gjë që përcakton ndryshimin në masat e tyre. (Kuantat e fushës skalare janë grimca të reja elementare me spin zero. Quhen Higgs (sipas fizikantit P. Higgs, i cili sugjeroi ekzistencën e tyre). Numri i bozoneve të tilla Higgs mund të arrijë disa dhjetëra. Bozone të tillë ende nuk janë zbuluar eksperimentalisht. Për më tepër, një seri fizikantë e konsiderojnë ekzistencën e tyre opsionale, por ende nuk është gjetur një model i përsosur teorik pa bozonet Higgs) Fillimisht, kuantet W dhe Z nuk kanë masë, por thyerja e simetrisë bën që disa grimca Higgs të bashkohen me grimcat W dhe Z, duke dhënë ato me masë.

Dallimet në vetitë e ndërveprimeve elektromagnetike dhe të dobëta shpjegohen nga teoria si thyerje e simetrisë. Nëse simetria nuk do të prishej, atëherë të dy ndërveprimet do të ishin të krahasueshme në madhësi. Thyerja e simetrisë sjell një ulje të mprehtë të ndërveprimit të dobët. Mund të themi se ndërveprimi i dobët është kaq i vogël sepse grimcat W dhe Z janë shumë masive. Leptonet rrallë i afrohen distancave kaq të vogla (r< 1 0 n см., где n = - 1 6). Но при больших энергиях (>1 0 0 GeV), kur grimcat W dhe Z mund të prodhohen lirisht, shkëmbimi i bozoneve W dhe Z është po aq i lehtë sa shkëmbimi i fotoneve (grimca pa masë). Dallimi ndërmjet fotoneve dhe bozoneve fshihet.Në këto kushte duhet të ketë një simetri të plotë ndërmjet ndërveprimeve elektromagnetike dhe atyre të dobëta – bashkëveprimit elektrodobët.

Testi i teorisë së re ishte të konfirmonte ekzistencën e grimcave hipotetike W dhe Z. Zbulimi i tyre u bë i mundur vetëm me krijimin e përshpejtuesve shumë të mëdhenj të llojit të fundit. Zbulimi në vitin 1983 i grimcave W dhe Z shënoi triumfin e teorisë së ndërveprimit elektro-dobët. Nuk kishte më nevojë të flitej për katër ndërveprimet themelore. Kanë mbetur tre.

2.4. kromodinamika kuantike

Hapi tjetër në rrugën e Unifikimit të Madh të ndërveprimeve themelore është bashkimi i ndërveprimit të fortë me atë elektrodobët. Për ta bërë këtë, është e nevojshme t'i jepni veçoritë e një fushe matës ndërveprimit të fortë dhe të prezantoni një ide të përgjithësuar të simetrisë izotopike. Ndërveprimi i fortë mund të konsiderohet si rezultat i shkëmbimit të gluoneve, i cili siguron lidhjen e kuarkeve (në çifte ose treshe) në hadrone.

Ideja këtu është e mëposhtme. Çdo kuark ka një analog të ngarkesës elektrike, i cili shërben si burim i fushës gluonike. U quajt një ngjyrë (Sigurisht, ky emër nuk ka asnjë lidhje me ngjyrën e zakonshme). Nëse fusha elektromagnetike gjenerohet vetëm nga një lloj ngarkese, atëherë nevojiteshin tre ngarkesa me ngjyra të ndryshme për të krijuar një fushë gluonike më komplekse. Çdo kuark është "ngjyruar" në një nga tre ngjyrat e mundshme, të cilat, në mënyrë arbitrare, janë quajtur të kuqe, jeshile dhe blu. Dhe në përputhje me rrethanat, antikuarkët janë anti-kuqe, anti-jeshile dhe anti-blu.

Në fazën tjetër, teoria e ndërveprimit të fortë zhvillohet në të njëjtat linja si teoria e ndërveprimit të dobët. Kërkesa e simetrisë së matësit lokal (dmth. pandryshueshmëria në lidhje me ndryshimet e ngjyrave në çdo pikë të hapësirës) çon në nevojën për të futur fusha të forcës kompensuese. Kërkohen gjithsej tetë fusha të reja të forcës kompensuese. Grimcat që bartin këto fusha janë gluone, dhe kështu nga teoria del se duhet të ketë deri në tetë lloje të ndryshme gluonësh. (Ndërsa bartësi i bashkëveprimit elektromagnetik është vetëm një (fotoni), dhe bartësit e bashkëveprimit të dobët janë tre.) Gluonët kanë masë pushimi zero dhe rrotullohen 1. Gluonët gjithashtu kanë ngjyra të ndryshme, por jo të pastra, por të përziera (për shembull , blu- anti-jeshile). Prandaj, emetimi ose thithja e një gluoni shoqërohet me një ndryshim në ngjyrën e kuarkut ("loja e ngjyrave"). Kështu, për shembull, një kuark i kuq, duke humbur një gluon të kuq-anti-blu, kthehet në një kuark blu dhe një kuark jeshil, duke thithur një gluon blu-anti-gjelbër, kthehet në një kuark blu. Në një proton, për shembull, tre kuarkë po shkëmbejnë vazhdimisht gluone, duke ndryshuar ngjyrën e tyre. Megjithatë, ndryshime të tilla nuk janë arbitrare, por i binden një rregulli të rreptë: në çdo moment në kohë, ngjyra "totale" e tre kuarkeve duhet të jetë drita e bardhë, d.m.th. shuma "e kuqe + jeshile + blu". Kjo vlen edhe për mesonet, të përbëra nga një çift kuark-antikuark. Meqenëse një antikuark karakterizohet nga antingjyrë, një kombinim i tillë është padyshim i pangjyrë ("i bardhë"), për shembull, një kuark i kuq në kombinim me një kuark antikuq formon një meson pa ngjyrë.

Nga pikëpamja e kromodinamikës kuantike (teoria kuantike e ngjyrave), ndërveprimi i fortë nuk është gjë tjetër veçse dëshira për të ruajtur një simetri të caktuar abstrakte të natyrës: ruajtja e ngjyrës së bardhë të të gjithë hadroneve duke ndryshuar ngjyrën e pjesëve të tyre përbërëse. Kromodinamika kuantike shpjegon në mënyrë të përsosur rregullat që i binden të gjitha kombinimet e kuarkeve, ndërveprimin e gluoneve me njëri-tjetrin (një gluon mund të kalbet në dy gluone ose të bashkojë dy gluone në një - kjo është arsyeja pse termat jolinearë shfaqen në ekuacionin e fushës gluonike), kompleksi struktura e një hadroni, e përbërë nga "të veshura" në retë kuarkesh etj.

Mund të jetë e parakohshme të vlerësohet kromodinamika kuantike si teoria përfundimtare dhe e plotë e forcës së fortë, por arritjet e saj janë megjithatë premtuese.

konkluzioni.

Origjina e shumë vetive të grimcave elementare dhe natyra e ndërveprimeve të tyre të qenësishme mbeten kryesisht të paqarta. Ndoshta, më shumë se një ristrukturim i të gjitha paraqitjeve dhe një kuptim shumë më i thellë i marrëdhënies midis vetive të mikrogrimcave dhe vetive gjeometrike të hapësirë-kohës do të nevojiten përpara se të ndërtohet teoria e grimcave elementare.

LITERATURA

Alekseev V.P. Formimi i njerëzimit. M., 1984. Bohr N. Fizika atomike dhe njohuritë njerëzore. M., 1961 Lindur Teoria e relativitetit të M. Einstein. M., 1964.

Dorfman Ya.G. Historia botërore e fizikës nga fillimi i shekullit të 19-të deri në mesin e shekullit të 20-të. M., 1979.

Kaempfer F. Rruga drejt fizikës moderne. M., 1972.

Naidysh V.M. Konceptet e shkencës moderne natyrore. Tutorial. M., 1999.

Bazhenov L.B. Struktura dhe funksionet e teorisë së shkencave natyrore. M., 1978.

Rosenthal I.L. Grimcat elementare dhe struktura e universit. M, 1984.

Nga elektroni në neutrino

Elektroni

Positron

Neutrino

Nga çuditshmëria në hijeshi

Zbulimi i grimcave të çuditshme

Rezonancat

Grimcat e "magjepsura".

konkluzioni

Letërsia

Prezantimi.

Në mesin dhe gjysmën e dytë të shekullit të njëzetë, u arritën rezultate vërtet të mahnitshme në ato degë të fizikës që merren me studimin e strukturës themelore të materies. Para së gjithash, kjo u shfaq në zbulimin e një morie të tërë grimcash të reja nënatomike. Zakonisht quhen grimca elementare, por jo të gjitha janë me të vërtetë elementare. Shumë prej tyre, nga ana tjetër, përbëhen nga grimca edhe më elementare.

Zbulimi i grimcave elementare ishte rezultat i natyrshëm i përparimit të përgjithshëm në studimin e strukturës së materies, i arritur nga fizika në fund të shekullit të 19-të. Ai u përgatit nga studime gjithëpërfshirëse të spektrave optike të atomeve, studimi i fenomeneve elektrike në lëngje dhe gaze, zbulimi i fotoelektricitetit, rrezeve X, radioaktivitetit natyror, të cilat dëshmonin për ekzistencën e një strukture komplekse të materies.

Bota e grimcave nënatomike është vërtet e larmishme. Këto përfshijnë protonet dhe neutronet që përbëjnë bërthamat atomike, si dhe elektronet që rrotullohen rreth bërthamave. Por ka edhe grimca që praktikisht nuk ndodhin në lëndën që na rrethon. Jeta e tyre është jashtëzakonisht e shkurtër, është fraksioni më i vogël i sekondës. Pas kësaj kohe jashtëzakonisht të shkurtër, ato zbërthehen në grimca të zakonshme. Ekziston një numër jashtëzakonisht i madh i grimcave të tilla të paqëndrueshme jetëshkurtër: disa qindra prej tyre tashmë janë njohur.

Në vitet 1960 dhe 1970, fizikanët ishin krejtësisht të hutuar nga bollëku, shumëllojshmëria dhe pazakontësia e grimcave nënatomike të sapo zbuluara. Ata dukej se nuk kishin fund. Është krejtësisht e pakuptueshme pse kaq shumë grimca. A janë këto grimca elementare fragmente kaotike dhe të rastësishme të materies? Apo ndoshta ata mbajnë çelësin për të kuptuar strukturën e universit? Zhvillimi i fizikës në dekadat në vijim tregoi se nuk ka asnjë dyshim për ekzistencën e një strukture të tillë. Në fund të shekullit të njëzetë. fizika fillon të kuptojë se cili është kuptimi i secilës prej grimcave elementare

Bota e grimcave nënatomike ka një rend të thellë dhe racional. Ky renditje bazohet në ndërveprimet themelore fizike

Grimcat elementare në kuptimin e saktë të këtij termi janë grimca primare, më tej të pazbërthyeshme, nga të cilat, sipas supozimit, përbëhet e gjithë lënda. Koncepti i "grimcave elementare" në fizikën moderne shpreh idenë e entiteteve primitive që përcaktojnë të gjitha vetitë e njohura të botës materiale, një ide që lindi në fazat e hershme të formimit të shkencës natyrore dhe ka luajtur gjithmonë një rol të rëndësishëm. në zhvillimin e saj.

Koncepti i "grimcave elementare" u formua në lidhje të ngushtë me vendosjen e natyrës diskrete të strukturës së materies në nivelin mikroskopik. Zbulimi në kapërcyellin e shekujve 19-20. bartësit më të vegjël të vetive të materies - molekulat dhe atomet - dhe vërtetimi i faktit se molekulat janë ndërtuar nga atomet, për herë të parë bëri të mundur që të gjitha substancat e njohura të përshkruhen si kombinime të një numri të kufizuar, megjithëse të madh, strukturore. komponentët - atomet. Zbulimi i mëvonshëm i pranisë së përbërësve përbërës të atomeve - elektroneve dhe bërthamave, vendosja e natyrës komplekse të bërthamave, e cila rezultoi se ishte ndërtuar nga vetëm dy lloje grimcash (protone dhe neutrone), uli ndjeshëm numrin e elementeve diskrete. që formojnë vetitë e materies dhe dhanë arsye për të supozuar se zinxhiri i pjesëve përbërëse të materies përfundon me formacione diskrete pa strukturë - grimca elementare. Një supozim i tillë, në përgjithësi, është një ekstrapolim i fakteve të njohura dhe nuk mund të justifikohet në asnjë mënyrë. Është e pamundur të pohohet me siguri se grimcat që janë elementare në kuptimin e përkufizimit të mësipërm ekzistojnë. Protonet dhe neutronet, për shembull, të cilat për një kohë të gjatë konsideroheshin grimca elementare, siç doli, kanë një strukturë komplekse. Është e mundur që sekuenca e përbërësve strukturorë të materies është thelbësisht e pafund. Mund të rezultojë gjithashtu se thënia "përbëhet nga..." në një fazë të studimit të materies do të jetë pa përmbajtje. Në këtë rast, përkufizimi "elementar" i dhënë më sipër do të duhet të braktiset. Ekzistenca e grimcave elementare është një lloj postulati dhe verifikimi i vlefshmërisë së tij është një nga detyrat më të rëndësishme të fizikës.

Nga elektroni në neutrino

Elektroni

Historikisht, grimca e parë elementare e zbuluar ishte elektroni - bartësi i ngarkesës elektrike elementare negative në atome

Kjo është grimca elementare "më e vjetër". Në aspektin ideologjik, ai hyri në fizikë në vitin 1881, kur Helmholtz, në një fjalim për nder të Faradeit, vuri në dukje se struktura atomike e materies, së bashku me ligjet e Faradeit të elektrolizës, çon në mënyrë të pashmangshme në idenë se ngarkesa elektrike duhet të jetë gjithmonë një shumëfish i ndonjë ngarkese elementare, pra deri te përfundimi për kuantizimin e ngarkesës elektrike. Bartësi i ngarkesës elementare negative, siç e dimë tani, është elektroni

Maxwell, i cili krijoi teorinë themelore të fenomeneve elektrike dhe magnetike dhe përdori në mënyrë domethënëse rezultatet eksperimentale të Faradeit, nuk e pranoi hipotezën e elektricitetit atomik.

Ndërkaq, teoria e “përkohshme” e ekzistencës së elektronit u vërtetua në vitin 1897 në eksperimentet e J. J. Thomson, në të cilat ai identifikoi të ashtuquajturat rreze katodike me elektrone dhe mati ngarkesën dhe masën e elektronit. Thomson i quajti grimcat e rrezeve katodike "korpuskula" ose atome primordiale. Fjala "elektron" u përdor fillimisht për të treguar madhësinë e ngarkesës së "korpuskulës". Dhe vetëm me kalimin e kohës, vetë grimca filloi të quhej elektron.

Sidoqoftë, ideja e elektronit nuk u pranua menjëherë. Kur, në një leksion në Shoqërinë Mbretërore, J. J. Thomson, zbuluesi i elektronit, sugjeroi që grimcat e rrezeve katodike të konsideroheshin si përbërës të mundshëm të atomit, disa nga kolegët e tij besuan sinqerisht se ai po i mistifikonte ato. Vetë Planck pranoi në 1925 se ai nuk besonte plotësisht atëherë, në 1900, në hipotezën e elektronit

Mund të themi se pas eksperimenteve të Millikanit, i cili mati në 1911. ngarkesat e elektroneve individuale, kjo grimcë e parë elementare mori të drejtën e ekzistencës

Foton

Prova e drejtpërdrejtë eksperimentale e ekzistencës së fotonit është dhënë nga R. Millikan në vitet 1912-1915. në studimet e tij për efektin fotoelektrik, si dhe A. Compton në 1922, i cili zbuloi shpërndarjen e rrezeve X me një ndryshim në frekuencën e tyre

Një foton është, në një farë kuptimi, një grimcë e veçantë. Fakti është se masa e tij e pushimit, ndryshe nga grimcat e tjera (përveç neutrinos), është e barabartë me zero. Prandaj, nuk u konsiderua menjëherë një grimcë: në fillim besohej se prania e një mase të fundme dhe jozero të pushimit është një tipar i detyrueshëm i një grimce elementare.

Një foton është një kuantë drite "e animuar" e Planck-ut, d.m.th. një kuantë drite që mbart moment

Kuantet e lehta u prezantuan nga Planck në 1901 për të shpjeguar ligjet e rrezatimit të një trupi plotësisht të zi. Por ai nuk ishte grimca, por vetëm "pjesët" minimale të mundshme të energjisë së dritës të një frekuence ose një tjetër.

Edhe pse supozimi i Planck për kuantizimin e energjisë së dritës ishte absolutisht në kundërshtim me të gjithë teorinë klasike, vetë Planck nuk e kuptoi menjëherë këtë. Shkencëtari shkroi se ai “… u përpoq të fuste disi vlerën e h në kuadrin e teorisë klasike. Megjithatë, me gjithë përpjekjet e tilla, kjo vlerë doli të ishte shumë kokëfortë. Më pas, kjo vlerë u quajt konstanta e Planck (h \u003d 6 * 10 -27 erg.s)

Pas futjes së konstantës Planck, situata nuk u bë më e qartë.

Fotonet ose kuantet u bënë "të gjalla" nga teoria e relativitetit të Ajnshtajnit, i cili në vitin 1905 tregoi se kuantet duhet të kenë jo vetëm energji, por edhe vrull, dhe se ato janë grimca në kuptimin e plotë, vetëm të veçanta, pasi masa e tyre e pushimit është zero. dhe lëvizin me shpejtësinë e dritës

Pra, përfundimi për ekzistencën e një grimce të fushës elektromagnetike - një foton - buron nga puna e M. Planck (1900). Duke supozuar se energjia e rrezatimit elektromagnetik të një trupi absolutisht të zi është e kuantizuar, Planck mori formulën e saktë për spektrin e rrezatimit. Duke zhvilluar idenë e Planck-ut, A. Einstein (1905) supozoi se rrezatimi elektromagnetik (drita) është në fakt një rrjedhë kuantesh individuale (fotone), dhe mbi këtë bazë shpjegoi modelet e efektit fotoelektrik.

Protoni

Protoni u zbulua nga E. Rutherford në 1919 në studimet e ndërveprimit të grimcave alfa me bërthamat atomike.

Më saktësisht, zbulimi i protonit lidhet me zbulimin e bërthamës atomike. Është bërë nga Rutherford duke bombarduar atomet e azotit me grimca alfa me energji të lartë. Rutherford arriti në përfundimin se "bërthama e atomit të azotit shpërbëhet si rezultat i forcave të mëdha që zhvillohen në përplasje me një grimcë α të shpejtë, dhe se atomi i hidrogjenit të çliruar formon një pjesë integrale të bërthamës së azotit". Në vitin 1920, bërthamat e atomit të hidrogjenit u quajtën protone nga Rutherford (proton në greqisht do të thotë më i thjeshtë, primar). Ka pasur sugjerime të tjera për një emër. Kështu, për shembull, u propozua emri "baron" (baros në greqisht do të thotë peshë). Sidoqoftë, ai theksoi vetëm një veçori të bërthamës së hidrogjenit - masën e tij. Termi "proton" ishte shumë më i thellë dhe më kuptimplotë, duke reflektuar natyrën themelore të protonit, sepse protoni është bërthama më e thjeshtë - bërthama e izotopit më të lehtë të hidrogjenit. Ky është padyshim një nga termat më të suksesshëm në fizikën e grimcave elementare. Kështu, protonet janë grimca me një ngarkesë pozitive njësi dhe një masë 1840 herë më e madhe se masa e një elektroni.

Neutron

Një grimcë tjetër që përbën bërthamën, neutron, u zbulua në vitin 1932 nga J. Chadwick gjatë studimit të ndërveprimit të grimcave alfa me beriliumin. Neutroni ka një masë të afërt me atë të protonit, por nuk ka ngarkesë elektrike. Zbulimi i neutronit përfundoi identifikimin e grimcave - elementet strukturore të atomeve dhe bërthamave të tyre

Zbulimi i izotopeve nuk e sqaroi çështjen e strukturës së bërthamës. Në këtë kohë, njiheshin vetëm protonet - bërthamat e hidrogjenit dhe elektronet, dhe për këtë arsye ishte e natyrshme të përpiqeshim të shpjegonim ekzistencën e izotopeve me kombinime të ndryshme të këtyre grimcave të ngarkuara pozitivisht dhe negativisht. Dikush mund të mendojë se bërthamat përmbajnë protone A, ku A është numri masiv dhe A ? Elektrone Z. Në këtë rast, ngarkesa totale pozitive përkon me numrin atomik Z

Një pamje kaq e thjeshtë e një bërthame homogjene në fillim nuk kundërshtoi përfundimin në lidhje me madhësinë e vogël të bërthamës, e cila pasoi nga eksperimentet e Rutherford. "Rrezja natyrore" e një elektroni r0 \u003d e 2 /mc 2 (e cila përftohet duke barazuar energjinë elektrostatike e 2 /r0 të ngarkesës së shpërndarë mbi shtresën sferike në vetë-energjinë e elektronit mc 2) është r0 \u003d 2,82 * 10 -15 m. Një elektron i tillë është mjaft i vogël për të qenë brenda një bërthame me rreze 10-14 m, megjithëse do të ishte e vështirë të vendosësh një numër të madh grimcash atje. Në vitin 1920 Rutherford dhe të tjerë konsideruan mundësinë e një kombinimi të qëndrueshëm të një protoni dhe një elektroni, duke riprodhuar një grimcë neutrale me një masë afërsisht të barabartë me atë të një protoni. Megjithatë, për shkak të mungesës së një ngarkese elektrike, grimca të tilla do të ishin të vështira për t'u zbuluar. Nuk ka gjasa që ata gjithashtu të mund të rrëzojnë elektronet nga sipërfaqet metalike, si valët elektromagnetike gjatë efektit fotoelektrik.

Vetëm një dekadë më vonë, pasi radioaktiviteti natyror ishte hetuar tërësisht dhe rrezatimi radioaktiv filloi të përdorej gjerësisht për të shkaktuar transformim artificial të atomeve, ekzistenca e një përbërësi të ri të bërthamës u vërtetua në mënyrë të besueshme. Në vitin 1930, W. Bothe dhe G. Becker nga Universiteti i Giessen-it rrezatuan litium dhe berilium me grimca alfa dhe, duke përdorur një numërues Geiger, regjistruan rrezatimin depërtues që rezulton. Meqenëse ky rrezatim nuk ndikohej nga fushat elektrike dhe magnetike dhe kishte një fuqi të lartë depërtuese, autorët arritën në përfundimin se rrezatimi i fortë gama u emetua. Në vitin 1932, F. Joliot dhe I. Curie përsëritën eksperimentet me beriliumin, duke kaluar një rrezatim të tillë depërtues përmes një blloku parafine. Ata zbuluan se protonet me energji jashtëzakonisht të lartë emetoheshin nga parafina dhe arritën në përfundimin se rrezatimi gama që kalonte përmes parafinës prodhoi protone si rezultat i shpërndarjes. (Në vitin 1923 u zbulua se rrezet X shpërndahen në elektrone, duke dhënë efektin Compton.)

J. Chadwick përsëriti eksperimentin. Ai përdori gjithashtu parafinë dhe, duke përdorur një dhomë jonizimi, në të cilën ngarkesa e krijuar kur elektronet u rrëzuan nga atomet, u mblodh, ai mati gamën e protoneve të kthimit.

Chadwick përdori gjithashtu azot të gaztë (në një dhomë reje ku pikat e ujit kondensohen përgjatë gjurmës së një grimce të ngarkuar) për të thithur rrezatimin dhe për të matur gamën e atomeve të kthimit të azotit. Duke zbatuar ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit në rezultatet e të dy eksperimenteve, ai arriti në përfundimin se rrezatimi neutral i zbuluar nuk është rrezatim gama, por një rrjedhë grimcash me një masë afër asaj të një protoni. Chadwick tregoi gjithashtu se burimet e njohura të rrezatimit gama nuk nxjerrin jashtë protonet.

Kështu, u konfirmua ekzistenca e një grimce të re, e cila tani quhet neutron.

Ndarja e beriliumit metalik vazhdoi si më poshtë:

Grimcat alfa 4 2 Ai (ngarkesa 2, masa numër 4) u përplas me bërthamat e beriliumit (ngarkesa 4, masa numër 9), duke rezultuar në karbon dhe një neutron

Zbulimi i neutronit ishte një hap i rëndësishëm përpara. Karakteristikat e vëzhguara të bërthamave tani mund të interpretohen duke marrë parasysh neutronet dhe protonet si përbërës të bërthamave

Tani dihet se neutroni është 0.1% më i rëndë se protoni. Neutronet e lira (jashtë bërthamës) i nënshtrohen zbërthimit radioaktiv, duke u shndërruar në një proton dhe një elektron. Kjo të kujton hipotezën origjinale të një grimce neutrale të përbërë. Megjithatë, brenda një bërthame të qëndrueshme, neutronet janë të lidhur me protonet dhe nuk prishen spontanisht.

Positron

Duke filluar nga vitet 1930 dhe deri në vitet 1950, grimcat e reja u zbuluan kryesisht në rrezet kozmike. Në vitin 1932, në përbërjen e tyre, A. Anderson zbuloi antigrimcën e parë - pozitron (e +) - një grimcë me masën e një elektroni, por me një ngarkesë elektrike pozitive. Pozitroni ishte antigrimca e parë e zbuluar. Ekzistenca e e+ rrjedh drejtpërdrejt nga teoria relativiste e elektronit e zhvilluar nga P. Dirac (1928-31) pak para zbulimit të pozitronit. Në vitin 1936 Fizikanët amerikanë K. Anderson dhe S. Neddermeyer zbuluan muonet (të dyja shenjat e ngarkesës elektrike) në studimin e rrezeve kozmike - grimca me një masë prej rreth 200 masa elektronike, por përndryshe çuditërisht të ngjashme në vetitë e-, e +

Pozitronet (elektronet pozitive) nuk mund të ekzistojnë në materie, sepse kur ato ngadalësohen, ato asgjësohen, duke u lidhur me elektronet negative. Në këtë proces, i cili mund të konsiderohet si procesi i kundërt i prodhimit të çifteve, elektronet pozitive dhe negative zhduken, ndërsa formohen fotone, të cilave u transferohet energjia e tyre. Në asgjësimin e një elektroni dhe një pozitroni, në shumicën e rasteve formohen dy fotone, shumë më rrallë - një foton. Asgjësimi me një foton mund të ndodhë vetëm kur elektroni është i lidhur fort me bërthamën; pjesëmarrja e bërthamës në këtë rast është e nevojshme për ruajtjen e momentit. Asgjësimi me dy fotone, përkundrazi, mund të ndodhë edhe me një elektron të lirë. Shpesh procesi i asgjësimit ndodh pasi pozitroni është pothuajse plotësisht i ndalur. Në këtë rast, dy fotone me energji të barabarta emetohen në drejtime të kundërta

Pozitroni u zbulua nga Anderson gjatë studimit të rrezeve kozmike duke përdorur metodën e dhomës së reve. Figura, e cila është një riprodhim i një fotografie të dhomës së reve të bërë nga Anderson, tregon një grimcë pozitive që hyn në një pllakë plumbi 0,6 cm të trashë me një momentum prej 6,3 x 107 eV/s dhe e lë atë me një momentum prej 2,3 x 107 eV/s. . Dikush mund të vendosë një kufi të sipërm në masën e kësaj grimce, duke supozuar se ajo humbet energji vetëm në përplasje. Ky limit është 20 unë. Bazuar në këtë dhe fotografi të tjera të ngjashme, Anderson hipotezoi ekzistencën e një grimce pozitive me një masë afërsisht të barabartë me atë të një elektroni të zakonshëm. Ky përfundim u konfirmua shpejt nga vëzhgimet nga Blackett dhe Occhialini në një dhomë reje. Menjëherë pas kësaj, Curie dhe Joliot zbuluan se pozitronet prodhohen nga shndërrimi i rrezeve gama nga burimet radioaktive, dhe gjithashtu emetohen nga izotopet radioaktive artificiale. Meqenëse fotoni, duke qenë neutral, formon një çift (pozitron dhe elektron), nga parimi i ruajtjes së ngarkesës elektrike rrjedh se vlera absolute e ngarkesës së pozitronit është e barabartë me ngarkesën e elektronit.

Përcaktimi i parë sasior i masës së pozitronit u bë nga Thibault, i cili mati raportin e/m duke përdorur metodën trokoide dhe arriti në përfundimin se masat e pozitronit dhe elektronit ndryshojnë jo më shumë se 15%. Eksperimentet e mëvonshme nga Spies dhe Zan, të cilët përdorën një konfigurim spektrografik masiv, treguan se masat e elektronit dhe pozitronit përkojnë brenda 2%. Akoma më vonë, Dumond dhe bashkëpunëtorët matën me saktësi të madhe gjatësinë e valës së rrezatimit të asgjësimit. Të sakta ndaj gabimeve eksperimentale (0.2%), ata morën një vlerë të tillë të gjatësisë së valës, e cila duhet të pritet nën supozimin se pozitroni dhe elektroni kanë masa të barabarta

Ligji i ruajtjes së momentit këndor i zbatuar në procesin e prodhimit të çifteve tregon se pozitronet kanë një rrotullim gjysmë të plotë dhe, për rrjedhojë, i binden statistikave të Fermit. Është e arsyeshme të supozohet se spin-i i pozitronit është 1/2, siç është spin-i i elektronit

Peoniet dhe Muonet. Zbulimi i Mesonit

Zbulimi i mezonit, ndryshe nga zbulimi i pozitronit, nuk ishte rezultat i një vëzhgimi të vetëm, por më tepër një përfundim nga një seri e tërë studimesh eksperimentale dhe teorike.

Në vitin 1932, Rossi, duke përdorur metodën e rastësisë të propozuar nga Bothe dhe Kolhurster, tregoi se një pjesë e njohur e rrezatimit kozmik të vëzhguar në nivelin e detit përbëhet nga grimca të afta të depërtojnë nëpër pllaka plumbi deri në 1 m të trasha. Menjëherë pas kësaj, ai gjithashtu tërhoqi vëmendjen për ekzistencën në rrezet kozmike të dy komponentëve të ndryshëm. Grimcat e një komponenti (përbërësi depërtues) janë në gjendje të kalojnë nëpër trashësi të mëdha të lëndës, dhe shkalla e përthithjes së tyre nga substanca të ndryshme është afërsisht proporcionale me masën e këtyre substancave. Grimcat e komponentit tjetër (komponenti i dushit) absorbohen shpejt, veçanërisht nga elementët e rëndë; në këtë rast formohen një numër i madh grimcash dytësore (dushe). Eksperimentet e dhomës së reve nga Anderson dhe Neddemeyer mbi kalimin e grimcave të rrezeve kozmike nëpër pllaka plumbi treguan gjithashtu se ekzistojnë dy përbërës të veçantë të rrezeve kozmike. Këto eksperimente treguan se, ndërsa mesatarisht humbja e energjisë e grimcave të rrezeve kozmike në plumb ishte në rend të madhësisë me humbjen e llogaritur teorikisht të përplasjes, disa nga këto grimca pësuan humbje shumë më të mëdha.

Në vitin 1934, Bethe dhe Heitler publikuan teorinë e humbjes rrezatuese të elektroneve dhe prodhimin e çifteve nga fotonet. Vetitë e komponentit më pak depërtues të vëzhguara nga Anderson dhe Neddemeyer ishin në përputhje me vetitë e elektroneve të parashikuara nga teoria e Bethe dhe Heitler; në këtë rast, humbjet e mëdha u shpjeguan nga proceset e rrezatimit. Vetitë e rrezatimit formues të dushit të zbuluara nga Rossi mund të shpjegohen gjithashtu duke supozuar se ky rrezatim përbëhet nga elektrone dhe fotone me energji të lartë. Nga ana tjetër, duke njohur vlefshmërinë e teorisë së Bethes dhe Heitlerit, duhej të konkludohej se grimcat "depërtuese" në eksperimentet e Rossit dhe grimcat më pak të zhytura në eksperimentet e Anderson dhe Neddemeyer ndryshojnë nga elektronet. Ne duhej të supozonim se grimcat depërtuese janë më të rënda se elektronet, pasi, sipas teorisë, humbjet e energjisë për rrezatim janë në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e masës.

Në lidhje me këtë, u diskutua mundësia e kolapsit të teorisë së rrezatimit në energji të larta. Si një alternativë, Williams sugjeroi në 1934 se grimcat depërtuese të rrezeve kozmike mund të kenë masën e një protoni. Një nga vështirësitë e lidhura me këtë hipotezë ishte domosdoshmëria e ekzistencës së protoneve jo vetëm pozitive, por edhe negative, sepse eksperimentet e dhomës së reve treguan se grimcat depërtuese të rrezeve kozmike kanë ngarkesa të të dy shenjave. Për më tepër, në disa fotografi të marra nga Anderson dhe Neddemeyer në një dhomë re, mund të shiheshin grimca që nuk rrezatonin si elektronet, por, megjithatë, nuk ishin aq të rënda sa protonet. Kështu, nga fundi i vitit 1936, u bë pothuajse e qartë se, përveç elektroneve, rrezet kozmike përmbanin edhe grimca të një lloji deri më tani të panjohur, me sa duket grimca me një masë të ndërmjetme midis asaj të një elektroni dhe asaj të një protoni. Duhet gjithashtu të theksohet se në vitin 1935 Yukawa, nga konsideratat thjesht teorike, parashikoi ekzistencën e grimcave të tilla

Ekzistenca e grimcave me masë të ndërmjetme u vërtetua drejtpërdrejt në 1937 nga eksperimentet e Neddemeyer dhe Anderson, Street dhe Stevenson.

Eksperimentet e Neddemeyer dhe Anderson ishin një vazhdim (me një teknikë të përmirësuar) të studimeve të përmendura më sipër mbi humbjet e energjisë të grimcave të rrezeve kozmike. Ato u kryen në një dhomë re të vendosur në një fushë magnetike dhe të ndarë në dy gjysma nga një pllakë platini 1 cm e trashë. Humbja e momentit për grimcat individuale të rrezeve kozmike u përcaktua duke matur lakimin e gjurmës para dhe pas pllakës.

Grimcat e absorbuara lehtë mund të interpretohen si elektrone. Ky interpretim mbështetet nga fakti se, ndryshe nga grimcat depërtuese, grimcat e absorbuara shpesh shkaktojnë procese dytësore në absorbuesin e platinit dhe në pjesën më të madhe ndodhin në grupe (dy ose më shumë). Kjo është pikërisht ajo që pritej, pasi shumë nga elektronet e vëzhguara me të njëjtën gjeometri eksperimentale si ato të Neddemeyer dhe Anderson janë pjesë e dusheve të formuara në lëndën përreth. Sa i përket natyrës së grimcave depërtuese, dy rezultatet e mëposhtme të marra nga Neddemeyer dhe Anderson shpjeguan shumë këtu:

një). Përkundër faktit se grimcat e absorbuara janë relativisht më të zakonshme në momente të ulëta, dhe grimcat depërtuese janë të kundërta (më të shpeshta në momentin e madh), ekziston një interval momenti në të cilin përfaqësohen grimcat e absorbuara dhe ato depërtuese. Kështu, ndryshimi në sjelljen e këtyre dy llojeve të grimcave nuk mund t'i atribuohet ndryshimit në energji. Ky rezultat përjashton mundësinë e konsiderimit të grimcave depërtuese si elektrone, duke shpjeguar sjelljen e tyre me padrejtësinë e teorisë së rrezatimit në energji të larta.

2). Ka një numër grimcash depërtuese me moment më të vogël se 200 MeV/c që nuk prodhojnë më shumë jonizues sesa një grimcë e ngarkuar e vetme pranë minimumit të kurbës së jonizimit. Kjo do të thotë që grimcat depërtuese të rrezeve kozmike janë shumë më të lehta se protonet, pasi një proton me një moment më të vogël se 200 MeV/c prodhon një jonizëm specifik afërsisht 10 herë më të lartë se minimumi.

Street dhe Stevenson u përpoqën të vlerësonin drejtpërdrejt masën e grimcave të rrezeve kozmike duke matur njëkohësisht momentin dhe jonizimin specifik. Ata përdorën një dhomë reje, e cila kontrollohej nga një sistem numëruesish Geiger-Muller të ndezur për antikoincidenca. Kjo arriti përzgjedhjen e grimcave afër fundit të gamës së tyre. Dhoma u vendos në një fushë magnetike me një forcë prej 3500 gauss; Dhoma u ndez me një vonesë prej rreth 1 sekondë, gjë që bëri të mundur numërimin e pikave. Mes një numri të madh fotografish, Street dhe Stevenson gjetën një me interes ekstrem.

Kjo fotografi tregon gjurmën e një grimce me një momentum prej 29 MeV/c, jonizimi i së cilës është rreth gjashtë herë minimumi. Kjo grimcë ka një ngarkesë negative ndërsa lëviz poshtë. Duke gjykuar nga momenti dhe jonizimi specifik, masa e tij është rreth 175 masa elektronike; gabimi i mundshëm prej 25% është për shkak të pasaktësisë së matjes së jonizimit specifik. Vini re se një elektron me një momentum prej 29 MeV/c ka praktikisht jonizimin minimal. Nga ana tjetër, grimcat me këtë momentum dhe masë protonike (qoftë një proton i zakonshëm që lëviz lart ose një proton negativ që lëviz poshtë) kanë një jonizimin specifik që është rreth 200 herë minimumi; Përveç kësaj, diapazoni i një protoni të tillë në gazin e dhomës duhet të jetë më i vogël se 1 cm. Në të njëjtën kohë, gjurma në fjalë është qartë e dukshme për 7 cm, pas së cilës largohet nga vëllimi i ndriçuar.

Eksperimentet e përshkruara më lart vërtetuan se grimcat depërtuese janë me të vërtetë më të rënda se elektronet, por më të lehta se protonet. Përveç kësaj, eksperimenti i Street dhe Stevenson dha vlerësimin e parë të përafërt të masës së kësaj grimce të re, të cilën tani mund ta quajmë me emrin e saj të zakonshëm, meson.

Kështu në vitin 1936, A. Anderson dhe S. Neddermeyer zbuluan muonin (μ-meson). Kjo grimcë ndryshon nga një elektron vetëm në masën e saj, e cila është rreth 200 herë më e madhe se elektroni

Në vitin 1947 Powell vëzhgoi gjurmë të grimcave të ngarkuara në emulsionet fotografike, të cilat u interpretuan si mesone Yukawa dhe u quajtën mesone π ose pione. Produktet e zbërthimit të pioneve të ngarkuara, të cilat janë gjithashtu grimca të ngarkuara, quheshin muone ose muone. Ishin muonet negative që u vunë re në eksperimentet e Conversit: ndryshe nga pionët, muonet, si elektronet, nuk ndërveprojnë fort me bërthamat atomike.

Meqenëse prishja e pioneve të ndaluar prodhonte gjithmonë muone me një energji të përcaktuar rreptësisht, pasoi që kalimi i π në μ të prodhonte një grimcë më shumë neutrale (masa e saj doli të ishte shumë afër zeros). Nga ana tjetër, kjo grimcë praktikisht nuk ndërvepron me materien, kështu që u arrit në përfundimin se nuk mund të jetë një foton. Kështu, fizikanët përballen me një grimcë të re neutrale, masa e së cilës është zero

Kështu, u zbulua një meson i ngarkuar Yukawa, i cili u zbërthye në një muon dhe një neutrino. Jetëgjatësia e π-mezonit në lidhje me këtë zbërthim doli të jetë e barabartë me 2·10 -8 s. Pastaj doli se muoni është gjithashtu i paqëndrueshëm, që si rezultat i prishjes së tij, formohet një elektron. Jetëgjatësia e muonit doli të jetë rreth 10 -6 s. Meqenëse elektroni i formuar gjatë zbërthimit të muonit nuk ka një energji të përcaktuar rreptësisht, u arrit në përfundimin se, së bashku me elektronin, dy neutrino formohen gjatë zbërthimit të muonit.

Në vitin 1947, gjithashtu në rrezet kozmike, grupi i S. Powell zbuloi p+ dhe p- mezone me një masë prej 274 masash elektronike, të cilat luajnë një rol të rëndësishëm në bashkëveprimin e protoneve me neutronet në bërthama. Ekzistenca e grimcave të tilla u sugjerua nga H. Yukawa në 1935

Neutrino

Zbulimi i neutrinës, një grimcë që pothuajse nuk ndërvepron me materien, buron nga hamendësimi teorik i W. Pauli (1930), i cili bëri të mundur, duke supozuar lindjen e një grimce të tillë, eliminimin e vështirësive me ligjin e ruajtja e energjisë në proceset e zbërthimit beta të bërthamave radioaktive. Ekzistenca e neutrinos u konfirmua eksperimentalisht vetëm në vitin 1953 (F. Reines dhe K. Cowen, SHBA)

Gjatë zbërthimit β të bërthamave, siç kemi thënë tashmë, përveç elektroneve, fluturojnë edhe neutrinot. Kjo grimcë u "futur" së pari në fizikë teorikisht. Ishte ekzistenca e neutrinës që u postulua nga Pauli në vitin 1929, shumë vite përpara zbulimit të tij eksperimental (1956). Neutrinoja, një grimcë neutrale me masë zero (ose të papërfillshme), iu desh Paulit për të shpëtuar ligjin e ruajtjes së energjisë në procesin e prishjes β të bërthamave atomike.

Fillimisht, Pauli e quajti grimcën hipotetike neutrale të formuar gjatë zbërthimit β të bërthamave neutron (kjo ishte përpara zbulimit të Chadwick) dhe sugjeroi që ajo ishte pjesë e bërthamës.

Sa e vështirë ishte të arrihej te hipoteza e neutrinoteve, të cilat formohen në vetë aktin e zbërthimit të neutroneve, mund të shihet të paktën nga fakti se vetëm një vit para shfaqjes së artikullit themelor të Fermit mbi vetitë e ndërveprimit të dobët, studiuesi përdori termin "neutron" në një raport mbi gjendjen aktuale të fizikës së bërthamës atomike, për të treguar dy grimcat që tani quhen neutron dhe neutrino. "Për shembull, sipas propozimit të Paulit," thotë Fermi, "do të ishte e mundur të imagjinohet se ka neutrone brenda bërthamës atomike, të cilat do të emetohen njëkohësisht me grimcat β. Këto neutrone mund të kalonin nëpër trashësi të mëdha të materies pa humbur energjinë e tyre, dhe për këtë arsye do të ishin praktikisht të pavëzhgueshme. Ekzistenca e neutronit, pa dyshim, thjesht mund të shpjegojë disa pyetje ende të pakuptueshme, të tilla si statistikat e bërthamave atomike, momentet anormale të brendshme të disa bërthamave dhe gjithashtu, ndoshta, natyrën e rrezatimit depërtues. Në të vërtetë, kur bëhet fjalë për një grimcë të emetuar me β-elektrone dhe të përthithur dobët nga materia, është e nevojshme të mbani parasysh neutrinën. Mund të konkludohet se në vitin 1932 problemet e neutronit dhe neutrinos ishin jashtëzakonisht të ngatërruara. U desh një vit punë e vështirë nga teoricienët dhe eksperimentuesit për të zgjidhur vështirësitë themelore dhe terminologjike.

"Pas zbulimit të neutronit," tha Pauli, "në seminare në Romë, Fermi filloi ta quante grimcën time të re të emetuar gjatë zbërthimit β "neutrino" për ta dalluar atë nga neutroni i rëndë. Ky emër italian është bërë përgjithësisht i pranuar"

Në vitet 1930, teoria e Fermit u përgjithësua në zbërthimin e pozitronit (Wick, 1934) dhe në kalimet me një ndryshim në momentin këndor të bërthamës (Gamow dhe Teller, 1937).

"Fati" i një neutrine mund të krahasohet me "fatin" e një elektroni. Të dyja grimcat fillimisht ishin hipotetike - elektroni u fut për të sjellë strukturën atomike të materies në përputhje me ligjet e elektrolizës, dhe neutrinoja u prezantua për të kursyer ligjin e ruajtjes së energjisë në procesin e β-zbërthimit. Dhe vetëm shumë më vonë ato u zbuluan si të vërteta

Në vitin 1962, u zbulua se ka dy neutrino të ndryshme: elektron dhe muon. Në vitin 1964, në zbërthimet e K-mezoneve neutrale, u zbulua i ashtuquajturi jokonservim. barazi e kombinuar (prezantuar nga Li Tsung-tao dhe Yang Chen-ning dhe në mënyrë të pavarur nga L. D. Landau në 1956), që nënkupton nevojën për të rishikuar pikëpamjet e zakonshme mbi sjelljen e proceseve fizike gjatë funksionimit të reflektimit të kohës

Nga çuditshmëria në hijeshi

Zbulimi i grimcave të çuditshme

Fundi i viteve 40 - fillimi i viteve 50. u shënuan nga zbulimi i një grupi të madh grimcash me veti të pazakonta, të quajtura "të çuditshme". Grimcat e para të këtij grupi, mesonet K + - dhe K -, hiperonet L-, S + -, S- -, X- - u zbuluan në rrezet kozmike, zbulimet e mëvonshme të grimcave të çuditshme u bënë në përshpejtuesit - instalimet që krijojnë flukse intensive të protoneve dhe elektroneve të shpejta. Kur përplasen me lëndën, protonet dhe elektronet e përshpejtuara krijojnë grimca të reja elementare, të cilat bëhen objekt studimi.

Në vitin 1947, Butler dhe Rochester vëzhguan dy grimca, të quajtura grimca V, në një dhomë reje. U vëzhguan dy pista, sikur të formonin shkronjën latine V. Formimi i dy gjurmëve tregoi se grimcat ishin të paqëndrueshme dhe u zbërthyen në të tjera, më të lehta. Një nga grimcat V ishte neutrale dhe u zbërthye në dy grimca të ngarkuara me ngarkesa të kundërta. (Më vonë u identifikua me K-mezonin neutral, i cili zbërthehet në pione pozitive dhe negative). Tjetra u ngarkua dhe u zbërthye në një grimcë të ngarkuar me një masë më të vogël dhe një grimcë neutrale. (Më vonë u identifikua me një meson të ngarkuar K +, i cili zbërthehet në pione të ngarkuar dhe neutralë)

Grimcat V lejojnë, në shikim të parë, një interpretim tjetër: pamja e tyre mund të interpretohet jo si një zbërthim i grimcave, por si një proces shpërndarjeje. Në të vërtetë, proceset e shpërndarjes së një grimce të ngarkuar nga një bërthamë me formimin e një grimce të ngarkuar në gjendjen përfundimtare, si dhe shpërndarja joelastike e një grimce neutrale nga një bërthamë me formimin e dy grimcave të ngarkuara, do të duken të njëjta në një dhomë reje si zbërthimi i grimcave V. Por një mundësi e tillë u përjashtua lehtësisht me arsyetimin se proceset e shpërndarjes janë më të mundshme në media më të dendura. Dhe ngjarjet V nuk u vunë re në plumb, i cili ishte i pranishëm në dhomën e reve, por drejtpërdrejt në vetë dhomën, e cila është e mbushur me një gaz me një densitet më të ulët (krahasuar me densitetin e plumbit)

Vini re se nëse zbulimi eksperimental i mezonit π ishte në një farë kuptimi "i pritshëm" për shkak të nevojës për të shpjeguar natyrën e ndërveprimeve të nukleoneve, atëherë zbulimi i grimcave V, si zbulimi i muonit, doli të ishte një surprizë e plotë. .

Zbulimi i grimcave V dhe përcaktimi i karakteristikave të tyre më "elementare" zgjati më shumë se një dekadë. Pas vëzhgimit të parë të këtyre grimcave në 1947. Rochester dhe Butler vazhduan eksperimentet e tyre për dy vjet të tjera, por ata nuk arritën të vëzhgonin asnjë grimcë të vetme. Dhe vetëm pasi pajisjet u ngritën lart në male, u zbuluan përsëri grimcat V, si dhe u zbuluan grimca të reja.

Siç doli më vonë, të gjitha këto vëzhgime rezultuan të ishin vëzhgime të zbërthimeve të ndryshme të së njëjtës grimcë - K-meson (i ngarkuar ose neutral)

"Sjellja" e grimcave V në lindje dhe prishja e mëvonshme çoi në faktin se ato filluan të quheshin të çuditshme

Grimcat e çuditshme u morën për herë të parë në laborator në vitin 1954. Fowler, Shutt, Thorndike dhe Whitemore, të cilët, duke përdorur një rreze jonike nga kozmotroni Brookhaven me një energji fillestare prej 1,5 GeV, vëzhguan reagimet e prodhimit shoqërues të grimcave të çuditshme.

Nga fillimi i viteve 50. përshpejtuesit janë bërë mjeti kryesor për studimin e grimcave elementare. Në vitet 70. energjitë e grimcave të përshpejtuara në përshpejtuesit arritën në dhjetëra e qindra miliarda elektron volt (GeV). Dëshira për të rritur energjitë e grimcave është për faktin se energjitë e larta hapin mundësinë e studimit të strukturës së materies në distanca më të shkurtra, aq më e lartë është energjia e grimcave që përplasen. Përshpejtuesit rritën ndjeshëm shkallën e marrjes së të dhënave të reja dhe në një kohë të shkurtër zgjeruan dhe pasuruan njohuritë tona për vetitë e mikrobotës. Përdorimi i përshpejtuesve për të studiuar grimcat e çuditshme bëri të mundur studimin më të detajuar të vetive të tyre, në veçanti veçorive të kalbjes së tyre dhe së shpejti çoi në një zbulim të rëndësishëm: sqarimin e mundësisë së ndryshimit të karakteristikave të disa mikroproceseve gjatë operimit. i pasqyrimit të pasqyrës - të ashtuquajturat. shkelje e hapësirave, barazi (1956). Vënia në punë e përshpejtuesve të protoneve me energji prej miliarda elektron volt bëri të mundur zbulimin e antigrimcave të rënda: antiprotonin (1955), antineutronin (1956) dhe hiperonet antisigma (1960). Në vitin 1964, u zbulua hiperoni më i rëndë W- (me një masë prej rreth dy masash protonike)

Rezonancat.

Në vitet 1960 në përshpejtuesit u zbuluan një numër i madh grimcash jashtëzakonisht të paqëndrueshme (në krahasim me grimcat e tjera elementare të paqëndrueshme), të cilat u quajtën "rezonanca". Masat e shumicës së rezonancave tejkalojnë masën e protonit. E para prej tyre D1 (1232) është e njohur që nga viti 1953. Doli se rezonancat përbëjnë pjesën kryesore të grimcave elementare

Ndërveprimi i fortë i një π-mezoni dhe një nukleoni në një gjendje me një spin total izotopik 3/2 dhe një moment 3/2 çon në shfaqjen e një gjendje të ngacmuar të nukleonit. Kjo gjendje brenda një kohe shumë të shkurtër (të rendit 10 -23 s) zbërthehet në një nukleon dhe një mezon π. Meqenëse kjo gjendje ka numra kuantikë të mirëpërcaktuar, si dhe grimca elementare të qëndrueshme, ishte e natyrshme ta quanim atë një grimcë. Për të theksuar jetëgjatësinë shumë të shkurtër të kësaj gjendjeje, ajo dhe gjendjet e ngjashme jetëshkurtra filluan të quheshin rezonante.

Rezonanca e nukleonit, e zbuluar nga Fermi në vitin 1952, u quajt më vonë izobari ∆ 3/2 3/2 (për të theksuar faktin se spin-i dhe spin-i izotop i ∆-izobarit janë 3/2). Meqenëse jetëgjatësia e rezonancave është e parëndësishme, ato nuk mund të vëzhgohen drejtpërdrejt, në të njëjtën mënyrë siç vëzhgohen protoni "i zakonshëm", π-mezonet dhe muonet (nga gjurmët e tyre në pajisjet e pista). Rezonancat zbulohen nga sjellja karakteristike e seksioneve tërthore të shpërndarjes së grimcave, si dhe nga studimi i vetive të produkteve të tyre të kalbjes. Shumica e grimcave elementare të njohura i përkasin grupit të rezonancave

Zbulimi i Δ-rezonancës kishte një rëndësi të madhe për fizikën e grimcave elementare

Vini re se gjendjet e ngacmuara ose rezonancat nuk janë objekte absolutisht të reja të fizikës. Më parë, ato ishin të njohura në fizikën atomike dhe bërthamore, ku ekzistenca e tyre lidhet me natyrën e përbërë të atomit (i formuar nga bërthama dhe elektronet) dhe bërthama (i formuar nga protonet dhe neutronet). Sa i përket vetive të gjendjeve atomike, ato përcaktohen vetëm nga bashkëveprimi elektromagnetik. Probabiliteti i ulët i zbërthimit të tyre shoqërohet me vogëlsinë e konstantës së ndërveprimit elektromagnetik

Gjendjet e ngacmuara ekzistojnë jo vetëm për nukleonin (në këtë rast flitet për gjendjet e tij izobare), por edhe për mezonin π (në këtë rast flasin për rezonanca mezone)

"Arsyeja e shfaqjes së rezonancave në ndërveprime të forta është e pakuptueshme," shkruan Feynman, "në fillim, teoricienët nuk supozuan se rezonancat ekzistojnë në teorinë e fushës me një konstante të madhe ndërveprimi. Më vonë, ata kuptuan se nëse konstanta e ndërveprimit është mjaft e madhe, atëherë lindin gjendjet izobarike. Megjithatë, rëndësia e vërtetë e faktit të ekzistencës së rezonancave për teorinë themelore mbetet e paqartë.

Grimcat e "magjepsura".

Në fund të vitit 1974 dy grupe eksperimentuesish (grupi i Ting në përshpejtuesin e protoneve Brookhaven dhe grupi i B. Richter, të cilët punuan në instalimin me përplasjen e rrezeve elektron-pozitron në Stanford) njëkohësisht bënë zbulimin më të rëndësishëm në fizikën e grimcave elementare: ata zbuluan një grimcë të re - rezonancën. me një masë të barabartë me 3.1 GeV (që tejkalon tre masa protonike)

Vetia më befasuese e kësaj rezonance ishte gjerësia e saj e vogël e zbërthimit - është vetëm 70 keV, që korrespondon me një jetëgjatësi prej rreth 10 -23 s.

Shpjegimi i pranuar përgjithësisht i natyrës së ψ-mezoneve bazohet në hipotezën e ekzistencës së një të katërti, c-kuark, së bashku me tre "standarde" tre u-, d- dhe s-kuark. C-kuarku ndryshon nga kuarkët e njohur më parë në vlerën e një numri të ri kuantik, të quajtur sharmi. Prandaj, kuarku c u quajt sharmi - ose kuarku i magjepsur.

Në vitin 1974, u zbuluan grimca të tjera masive (3-4 masa protonike) dhe në të njëjtën kohë relativisht të qëndrueshme y-grimca, me një jetë jashtëzakonisht të gjatë për rezonanca. Ata rezultuan të ishin të lidhur ngushtë me një familje të re grimcash elementare - "të magjepsura", përfaqësuesit e parë të të cilave (D0, D+, Lc) u zbuluan në vitin 1976. Në vitin 1975, informacioni i parë u mor për ekzistencën e një të rëndë. analog i elektronit dhe muonit (lepton i rëndë t)

Ting dhe Richter u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë në vitin 1976 për zbulimin e grimcave ψ.

Në vitin 1977 u zbuluan mezone neutrale më të rënda (në krahasim me ψ-grimcat) me masa të rendit 10 GeV, d.m.th. më shumë se dhjetë herë më të rënda se nukleonet. Ashtu si në rastin e ψ-mezoneve, këto mezone, të quajtura mezone "upsilon", u vunë re në reaksionin e prodhimit të çifteve të muoneve në përplasjet proton-bërthamore.

konkluzioni

Kështu, gjatë viteve që kanë kaluar që nga zbulimi i elektronit, janë zbuluar një numër i madh i mikrogrimcave të ndryshme të materies. Të gjitha grimcat elementare karakterizohen nga dimensione jashtëzakonisht të vogla: dimensionet lineare të një nukleoni dhe një pioni janë afërsisht 10 -15 m. Teoria parashikon që madhësia e një elektroni duhet të jetë e rendit 10 -19 m.

Masa e shumicës dërrmuese të grimcave është e krahasueshme me masën e një protoni, e cila në njësi energjetike është afër 1 GeV (1000 MeV)

Bota e grimcave elementare doli të ishte mjaft e ndërlikuar. Vetitë e grimcave elementare të zbuluara doli të ishin të papritura në shumë aspekte. Për t'i përshkruar ato, përveç karakteristikave të huazuara nga fizika klasike, si ngarkesa elektrike, masa, momenti këndor, ishte e nevojshme të futeshin edhe shumë karakteristika të reja të veçanta, në veçanti, të përshkruheshin grimcat elementare të çuditshme - çuditshmëria (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), grimcat elementare të "magjepsura" - "bukuri" (fizikanët amerikanë J. Bjorken, S. Glashow, 1964); tashmë emrat e karakteristikave të mësipërme pasqyrojnë natyrën e pazakontë të vetive të grimcave elementare që ato përshkruajnë

Studimi i strukturës së brendshme të materies dhe vetive të grimcave elementare që në hapat e tij të parë u shoqërua me një rishikim rrënjësor të shumë koncepteve dhe ideve të vendosura. Ligjet që rregullojnë sjelljen e materies në të vogla rezultuan të ishin aq të ndryshme nga ligjet e mekanikës klasike dhe elektrodinamikës, saqë kërkonin ndërtime teorike krejtësisht të reja për përshkrimin e tyre.

Studimi i strukturës së brendshme të materies dhe vetive të grimcave elementare që në hapat e tij të parë u shoqërua me një rishikim rrënjësor të shumë koncepteve dhe ideve të vendosura. Rregullsitë që rregullonin sjelljen e materies në të vogla rezultuan të ishin aq të ndryshme nga rregullsitë e mekanikës klasike dhe elektrodinamikës, saqë kërkonin ndërtime teorike krejtësisht të reja për përshkrimin e tyre. Ndërtime të tilla të reja themelore në teori ishin relativiteti privat (special) dhe i përgjithshëm (A. Einstein, 1905 dhe 1916; Teoria e relativitetit, graviteti) dhe mekanika kuantike (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born). Teoria e relativitetit dhe mekanika kuantike shënuan një revolucion të vërtetë në shkencën e natyrës dhe hodhën themelet për përshkrimin e fenomeneve të mikrobotës. Sidoqoftë, për të përshkruar proceset që ndodhin me grimcat elementare, mekanika kuantike doli të ishte e pamjaftueshme. U hodh hapi tjetër - kuantizimi i fushave klasike (i ashtuquajturi kuantizimi sekondar) dhe zhvillimi i teorisë kuantike të fushës. Fazat më të rëndësishme në rrugën e zhvillimit të saj ishin: formulimi i elektrodinamikës kuantike (P. Dirac, 1929), teoria kuantike e zbërthimit b (E. Fermi, 1934), e cila hodhi themelet për teorinë moderne të dobët. ndërveprimet, mezodinamika kuantike (Yukawa, 1935). Paraardhësi i menjëhershëm i kësaj të fundit ishte i ashtuquajturi. b-teoria e forcave bërthamore (I. E. Tamm, D. D. Ivanenko, 1934; Ndërveprime të forta). Kjo periudhë përfundoi me krijimin e një aparati llogaritës konsistent për elektrodinamikën kuantike (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), bazuar në përdorimin e teknikave të rinormalizimit (Teoria Kuantike e Fushës). Kjo teknikë u përgjithësua më vonë në versione të tjera të teorisë kuantike të fushës.

Teoria kuantike e fushës vazhdon të zhvillohet dhe përmirësohet dhe është baza për përshkrimin e ndërveprimeve të grimcave elementare Kjo teori ka një sërë suksesesh të rëndësishme, e megjithatë është ende shumë larg plotësimit dhe nuk mund të pretendojë rolin e një teorie gjithëpërfshirëse të grimcave elementare. Origjina e shumë vetive të grimcave elementare dhe natyra e ndërveprimeve të tyre të qenësishme mbeten kryesisht të paqarta. Është e mundur që më shumë se një ristrukturim i të gjitha paraqitjeve dhe një kuptim shumë më i thellë i marrëdhënies midis vetive të mikrogrimcave dhe vetive gjeometrike të hapësirë-kohës do të nevojiten përpara se të ndërtohet teoria e grimcave elementare.

Letërsia

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

Dorfman Ya.G. Historia botërore e fizikës nga fillimi i shekullit të 19-të deri në mesin e shekullit të 20-të. -M.: 1979

Zisman G.A., Todes O.M. Kursi i fizikës së përgjithshme. -K.: Ed. Edelweiss, 1994

Kaempfer F. Rruga drejt fizikës moderne. -M.: 1972

Kreychi. Bota përmes syve të fizikës moderne. -M.: Mir, 1974

Myakishev G.Ya. Grimcat elementare. -M.: Iluminizmi, 1977

Pasichny A.P. Fizika e grimcave elementare. -K.: Shkolla Vishcha, 1980

Saveliev I.V. Kursi i fizikës. -M.: Nauka, 1989

Nocioni se bota përbëhet nga grimca themelore ka një histori të gjatë. Për herë të parë, ideja e ekzistencës së grimcave më të vogla të padukshme që përbëjnë të gjitha objektet përreth u shpreh 400 vjet para erës sonë nga filozofi grek Demokriti. Ai i quajti këto grimca atome, domethënë grimca të pandashme. Shkenca filloi të përdorë konceptin e atomeve vetëm në fillim të shekullit të 19-të, kur u bë e mundur të shpjegoheshin një sërë fenomenesh kimike mbi këtë bazë. Në vitet 30 të shekullit të 19-të, në teorinë e elektrolizës të zhvilluar nga M. Faraday, u shfaq koncepti i një joni dhe u mat ngarkesa elementare. Por rreth mesit të shekullit të 19-të, filluan të shfaqen fakte eksperimentale që hodhën dyshime mbi idenë e pandashmërisë së atomeve. Rezultatet e këtyre eksperimenteve sugjeruan se atomet kanë një strukturë komplekse dhe se ato përmbajnë grimca të ngarkuara elektrike. Këtë e konfirmoi fizikani francez Henri Becquerel, i cili në vitin 1896 zbuloi fenomenin e radioaktivitetit.

Kjo u pasua nga zbulimi i grimcës së parë elementare nga fizikani anglez Thomson në 1897. Ishte një elektron që më në fund fitoi statusin e një objekti fizik real dhe u bë grimca e parë elementare e njohur në historinë e njerëzimit. Masa e tij është rreth 2000 herë më e vogël se masa e një atomi hidrogjeni dhe është e barabartë me:

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

Ngarkesa elektrike negative e një elektroni quhet elementare dhe është e barabartë me:

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

Një analizë e spektrit atomik tregon se rrotullimi i një elektroni është 1/2, dhe momenti i tij magnetik është i barabartë me një magneton Bohr. Elektronet i binden statistikave të Fermit sepse ato kanë një rrotullim gjysmë të numrit të plotë. Kjo përputhet me të dhënat eksperimentale mbi strukturën e atomeve dhe për sjelljen e elektroneve në metale. Elektronet marrin pjesë në ndërveprimet elektromagnetike, të dobëta dhe gravitacionale.

Grimca e dytë elementare e zbuluar ishte protoni (nga greqishtja protos - e para). Kjo grimcë elementare u zbulua në vitin 1919 nga Rutherford gjatë studimit të produkteve të ndarjes së bërthamave atomike të elementeve të ndryshëm kimikë. Në një kuptim të mirëfilltë, një proton është bërthama e një atomi të izotopit më të lehtë të hidrogjenit - protium. Rrotullimi i protonit është 1/2. Protoni ka një ngarkesë elementare pozitive +e. Masa e saj është:

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

ose rreth 1836 masa elektronike. Protonet janë pjesë e bërthamave të të gjitha atomeve të elementeve kimike. Pas kësaj, në vitin 1911, Rutherford propozoi një model planetar të atomit, i cili i ndihmoi shkencëtarët në studimet e mëtejshme të përbërjes së atomeve.

Në vitin 1932, J. Chadwick zbuloi grimcën e tretë elementare, neutronin (nga latinishtja neuter - as njëra as tjetra), e cila nuk ka ngarkesë elektrike dhe ka një masë prej përafërsisht 1839 masa elektronike. Rrotullimi i neutronit është gjithashtu 1/2.

Përfundimi për ekzistencën e një grimce të fushës elektromagnetike - një foton - buron nga puna e M. Planck (1900). Duke supozuar se energjia e rrezatimit elektromagnetik të një trupi absolutisht të zi është i kuantizuar (d.m.th., ai përbëhet nga kuante), Planck mori formulën e saktë për spektrin e rrezatimit. Duke zhvilluar idenë e Planck-ut, A. Einstein (1905) supozoi se rrezatimi elektromagnetik (drita) është në fakt një rrjedhë kuantesh individuale (fotone), dhe mbi këtë bazë shpjegoi ligjet e efektit fotoelektrik. Prova e drejtpërdrejtë eksperimentale e ekzistencës së fotonit u dha nga R. Millikan në 1912-1915 dhe nga A. Compton në 1922.

Zbulimi i neutrinës, një grimcë që vështirë se ndërvepron me materien, buron nga hamendësimi teorik i W. Pauli në vitin 1930, i cili bëri të mundur, duke supozuar lindjen e një grimce të tillë, eliminimin e vështirësive me ligjin e ruajtjes së energjisë. në proceset e zbërthimit beta të bërthamave radioaktive. Ekzistenca e neutrinos u konfirmua eksperimentalisht vetëm në 1953 nga F. Reines dhe K. Cowen.

Por substanca përbëhet jo vetëm nga grimca. Ka edhe antigrimca - grimca elementare që kanë të njëjtën masë, spin, jetëgjatësi dhe disa karakteristika të tjera të brendshme si grimcat e tyre "binjake", por ndryshojnë nga grimcat në shenjat e ngarkesës elektrike dhe momentit magnetik, ngarkesës së barionit, ngarkesës së leptonit, çuditshmërisë etj. Të gjitha grimcat elementare, përveç atyre absolutisht neutrale, kanë antigrimcat e tyre.

Antigrimca e parë e zbuluar ishte pozitroni (nga latinishtja positivus - pozitive) - një grimcë me një masë elektronike, por një ngarkesë elektrike pozitive. Kjo antigrimcë u zbulua në rrezet kozmike nga fizikani amerikan Carl David Anderson në vitin 1932. Është interesante se ekzistenca e pozitronit u parashikua teorikisht nga fizikani anglez Paul Dirac pothuajse një vit para zbulimit eksperimental. Për më tepër, Diraku parashikoi të ashtuquajturat procese të asgjësimit (zhdukjes) dhe lindjen e një çifti elektron-pozitron. Vetë asgjësimi i çiftit është një nga llojet e transformimeve të grimcave elementare që ndodh kur një grimcë përplaset me një antigrimcë. Gjatë asgjësimit, grimca dhe antigrimca zhduken, duke u shndërruar në grimca të tjera, numri dhe lloji i të cilave janë të kufizuara nga ligjet e ruajtjes. Procesi i kundërt i asgjësimit është lindja e një çifti. Vetë pozitroni është i qëndrueshëm, por në materie, për shkak të asgjësimit me elektrone, ka një kohë shumë të shkurtër. Asgjësimi i një elektroni dhe një pozitroni është që kur takohen, ato zhduken, duke u shndërruar në γ- kuantet (fotonet). Dhe në rast përplasjeje γ- një kuant me një bërthamë masive, lind një çift elektron-pozitron.

Në vitin 1955, u zbulua një tjetër antigrimcë - antiprotoni, dhe pak më vonë - antineutron. Antineutroni, ashtu si neutroni, nuk ka ngarkesë elektrike, por padyshim që i përket antigrimcave, pasi merr pjesë në procesin e asgjësimit dhe në lindjen e një çifti neutron-antineutron.

Mundësia e marrjes së antigrimcave i çoi shkencëtarët në idenë e krijimit të antimateries. Atomet e antimateries duhet të ndërtohen në atë mënyrë: në qendër të atomit ka një bërthamë të ngarkuar negativisht, e përbërë nga antiprotone dhe antineutrone, dhe pozitronet me ngarkesë pozitive rrotullohen rreth bërthamës. Në përgjithësi, atomi gjithashtu rezulton të jetë neutral. Kjo ide ka marrë një konfirmim të shkëlqyer eksperimental. Në vitin 1969, në përshpejtuesin e protoneve në qytetin Serpukhov, fizikanët sovjetikë morën bërthamat e atomeve antihelium. Gjithashtu në vitin 2002, 50,000 atome antihidrogjen u prodhuan në përshpejtuesin CERN në Gjenevë. Por, pavarësisht kësaj, akumulimet e antimateries në Univers nuk janë zbuluar ende. Gjithashtu bëhet e qartë se në ndërveprimin më të vogël të antimateries me çdo substancë, do të ndodhë asgjësimi i tyre, i cili do të shoqërohet me një çlirim të madh energjie, disa herë më të madhe se energjia e bërthamave atomike, e cila është jashtëzakonisht e pasigurt për njerëzit dhe mjedisin. .

Aktualisht, antigrimcat e pothuajse të gjitha grimcave elementare të njohura janë zbuluar eksperimentalisht.

Një rol të rëndësishëm në fizikën e grimcave elementare luajnë ligjet e ruajtjes që vendosin barazi midis kombinimeve të caktuara të sasive që karakterizojnë gjendjen fillestare dhe përfundimtare të sistemit. Arsenali i ligjeve të ruajtjes në fizikën kuantike është më i madh se në fizikën klasike. Ai u plotësua nga ligjet e ruajtjes së barazive të ndryshme (hapësinore, ngarkuese), ngarkesave (lepton, barion, etj.), Simetri të brendshme të natyrshme në një ose një lloj tjetër ndërveprimi.

Identifikimi i karakteristikave të grimcave individuale nënatomike është një fazë e rëndësishme, por vetëm fillestare në njohjen e botës së tyre. Në fazën tjetër, është ende e nevojshme të kuptohet se cili është roli i secilës grimcë individuale, cilat janë funksionet e saj në strukturën e materies.

Fizikanët kanë zbuluar se, para së gjithash, vetitë e një grimce përcaktohen nga aftësia (ose paaftësia) e saj për të marrë pjesë në një ndërveprim të fortë. Grimcat që marrin pjesë në bashkëveprimin e fortë formojnë një klasë të veçantë dhe quhen hadrone. Grimcat që marrin pjesë në bashkëveprimin e dobët dhe nuk marrin pjesë në atë të fortë quhen lepton. Përveç kësaj, ka grimca bartëse të ndërveprimit.

Leptonet.

Leptonet konsiderohen si grimca të vërteta elementare. Edhe pse leptonët mund të kenë ose jo një ngarkesë elektrike, ata të gjithë kanë një rrotullim prej 1/2. Ndër leptonet, më i famshmi është elektroni. Elektroni është i pari nga grimcat elementare të zbuluara. Ashtu si të gjithë leptonët e tjerë, elektroni, me sa duket, është një objekt elementar (në kuptimin e duhur të fjalës). Me sa dimë, elektroni nuk përbëhet nga ndonjë grimcë tjetër.

Një tjetër lepton i njohur është neutrinoja. Neutrinot janë grimcat më të zakonshme në univers. Universi mund të imagjinohet si një det neutrino pa kufi, në të cilin ndodhen herë pas here ishuj në formën e atomeve. Por pavarësisht nga një përhapje e tillë e neutrinos, është shumë e vështirë për t'i studiuar ato. Siç kemi vërejtur, neutrinot janë pothuajse të pakapshme. Duke mos marrë pjesë as në ndërveprime të forta as elektromagnetike, ato depërtojnë në materie sikur të mos ekzistonte fare. Neutrinot janë disa "fantazma të botës fizike".

Muonët janë mjaft të përhapur në natyrë, duke përbërë një pjesë të konsiderueshme të rrezatimit kozmik. Në shumë mënyra, muoni i ngjan një elektroni: ai ka të njëjtën ngarkesë dhe spin, merr pjesë në ato ndërveprime, por ka një masë të madhe (rreth 207 masa elektronike) dhe është i paqëndrueshëm. Në rreth dy të miliontat e sekondës, një muon zbërthehet në një elektron dhe dy neutrino. Në fund të viteve 1970, u zbulua një lepton i tretë i ngarkuar, i cili u quajt "tau lepton". Kjo është një grimcë shumë e rëndë. Masa e tij është rreth 3500 masa elektronike. Por në të gjitha aspektet e tjera ai sillet si një elektron dhe një muon.

Në vitet 1960, lista e leptoneve u zgjerua ndjeshëm. U zbulua se ekzistojnë disa lloje neutrinash: neutrino elektronike, neutrino muon dhe neutrino tau. Kështu, numri i përgjithshëm i varieteteve të neutrinos është tre, dhe numri i përgjithshëm i leptoneve është gjashtë. Sigurisht, çdo lepton ka antigrimcën e vet; pra numri i përgjithshëm i leptoneve të dallueshëm është dymbëdhjetë. Leptonet neutrale marrin pjesë vetëm në ndërveprimin e dobët; ngarkuar - në të dobët dhe elektromagnetike. Të gjithë leptonët marrin pjesë në ndërveprim gravitacional, por nuk janë të aftë për të fortë.

Hadronet.

Nëse ka pak më shumë se një duzinë leptone, atëherë ka qindra hadrone. Një numër i tillë i hadroneve sugjeron që hadronet nuk janë grimca elementare, por janë ndërtuar nga grimca më të vogla. Të gjithë hadronët gjenden në dy lloje - të ngarkuara elektrike dhe neutrale. Ndër hadronet, neutroni dhe protoni janë më të njohurit dhe më të përhapurit, të cilët nga ana e tyre i përkasin klasës së nukleoneve. Hadronet e mbetura janë jetëshkurtër dhe kalbet shpejt. Hadronet marrin pjesë në të gjitha ndërveprimet themelore. Ato ndahen në barione dhe mesone. Barionet përfshijnë nukleonet dhe hiperonet.

Për të shpjeguar ekzistencën e forcave bërthamore të ndërveprimit midis nukleoneve, teoria kuantike kërkonte ekzistencën e grimcave elementare të veçanta me një masë më të madhe se masa e një elektroni, por më pak se masa e një protoni. Këto grimca të parashikuara nga teoria kuantike më vonë u quajtën mesone. Mezonet u zbuluan eksperimentalisht. Ata doli të ishin një familje e tërë. Të gjitha ato rezultuan se ishin grimca të paqëndrueshme jetëshkurtra që jetonin në një gjendje të lirë në të miliardat e sekondës. Për shembull, një pi mezon ose pion i ngarkuar ka një masë pushimi prej 273 masash elektronike dhe një jetëgjatësi:

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

Më tej, në studimet në përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara, u zbuluan grimca me masa që tejkalojnë masën e një protoni. Këto grimca quheshin hiperone. Ato u gjetën edhe më shumë se mesonet. Familja e hiperoneve përfshin: hiperonet lambda-, sigma-, xy- dhe omega-minus.

Ekzistenca dhe vetitë e shumicës së hadroneve të njohura janë vërtetuar në eksperimentet mbi përshpejtuesit. Zbulimi i shumë hadroneve të ndryshëm në vitet 1950 dhe 1960 i habiti jashtëzakonisht fizikantët. Por me kalimin e kohës, hadronet u klasifikuan sipas masës, ngarkesës dhe rrotullimit të tyre. Gradualisht, filloi të shfaqej një pamje pak a shumë e qartë. U shfaqën ide konkrete se si të sistemohet kaosi i të dhënave empirike, për të zbuluar sekretin e hadroneve në teorinë shkencore. Hapi vendimtar këtu u hodh në vitin 1963, kur u propozua teoria e kuarkeve.

Teoria e kuarkeve.

Teoria e kuarkeve është teoria e strukturës së hadroneve. Ideja bazë e kësaj teorie është shumë e thjeshtë. Të gjithë hadronet janë ndërtuar nga grimca më të vogla të quajtura kuarke. Kjo do të thotë se kuarkët janë më shumë grimca elementare sesa hadronet. Kuarkët janë grimca hipotetike, sepse nuk janë vërejtur në gjendje të lirë. Ngarkesa e barionit të kuarkut është 1/3. Ato mbartin një ngarkesë elektrike të pjesshme: kanë një ngarkesë që është ose -1/3 ose +2/3 e njësisë themelore, ngarkesës së elektronit. Një kombinim i dy dhe tre kuarkeve mund të ketë një ngarkesë totale të barabartë me zero ose një. Të gjithë kuarkët kanë spin S, pra janë fermione. Themeluesit e teorisë së kuarkeve Gell-Mann dhe Zweig, për të marrë parasysh të gjithë hadronet e njohur në vitet '60, prezantuan tre lloje (ngjyra) kuarkesh: u (nga lart - lart), d (nga poshtë - poshtë) dhe s (nga e çuditshme - e çuditshme) .

Kuarkët mund të kombinohen me njëri-tjetrin në një nga dy mënyrat e mundshme: ose në treshe ose në çifte kuark-antikuark. Grimcat relativisht të rënda - barionet - përbëhen nga tre kuarkë. Barionet më të njohura janë neutroni dhe protoni. Çiftet më të lehta kuark-antiquarku formojnë grimca të quajtura mesone - "grimca të ndërmjetme". Për shembull, një proton përbëhet nga dy kuarkë u dhe një d-kuarkë (uud), ndërsa një neutron përbëhet nga dy kuarkë d dhe një u-kuarkë (udd). Që kjo “treshe” kuarkesh të mos kalbet, nevojitet një forcë që i mban, një lloj “ngjitësi”.

Doli se ndërveprimi që rezulton midis neutroneve dhe protoneve në bërthamë është thjesht një efekt i mbetur i një ndërveprimi më të fuqishëm midis vetë kuarkut. Kjo shpjegoi pse forca e fortë duket kaq e ndërlikuar. Kur një proton "ngjitet" me një neutron ose një proton tjetër, gjashtë kuarkë përfshihen në bashkëveprim, secili prej të cilëve ndërvepron me të gjithë të tjerët. Një pjesë e konsiderueshme e forcave shpenzohet për ngjitjen e fortë të një treshe kuarkesh, dhe një pjesë e vogël shpenzohet për lidhjen e dy tresheve kuarke me njëri-tjetrin. Por më vonë doli se kuarkët gjithashtu marrin pjesë në ndërveprimin e dobët. Forca e dobët mund të ndryshojë ngjyrën e një kuarku. Kështu ndodh prishja e neutronit. Një nga kuarkët d në neutron shndërrohet në një kuark u dhe ngarkesa e tepërt mbart elektronin që lind në të njëjtën kohë. Në mënyrë të ngjashme, duke ndryshuar aromën, ndërveprimi i dobët çon në prishjen e hadroneve të tjerë.

Fakti që të gjithë hadronet e njohur mund të merren nga kombinime të ndryshme të tre grimcave bazë ishte një triumf për teorinë e kuarkut. Por në vitet 1970, u zbuluan hadrone të rinj (grimca psi, mezon upsilon, etj.). Kjo i dha një goditje versionit të parë të teorisë së kuarkut, pasi nuk kishte vend për një grimcë të vetme të re në të. Të gjitha kombinimet e mundshme të kuarkeve dhe antikuarkeve të tyre tashmë janë ezauruar.

Problemi u zgjidh duke futur tre ngjyra të reja. Ata morën emrin - c - kuark (bukuri - hijeshi), b - kuark (nga poshtë - poshtë, dhe më shpesh bukuri - bukuri, ose bukuri), dhe më pas u prezantua një ngjyrë tjetër - t (nga lart - lart).

Deri më tani, kuarke të lira dhe antikuarkë nuk janë vërejtur. Megjithatë, praktikisht nuk ka asnjë dyshim për realitetin e ekzistencës së tyre. Për më tepër, po kryhen kërkime për grimcat elementare "të vërteta", gluonet, të cilat janë bartëse të ndërveprimeve midis kuarkeve, pas kuarkeve. Kuarkët mbahen së bashku nga një ndërveprim i fortë, dhe gluonët (ngarkesat me ngjyra) janë bartës të ndërveprimit të fortë. Fusha e fizikës së grimcave elementare që studion ndërveprimin e kuarkeve dhe gluoneve quhet kromodinamikë kuantike. Ashtu si elektrodinamika kuantike është teoria e ndërveprimit elektromagnetik, kështu kromodinamika kuantike është teoria e bashkëveprimit të fortë. Kromodinamika kuantike është një teori kuantike e fushës së bashkëveprimit të fortë të kuarkeve dhe gluoneve, e cila kryhet duke shkëmbyer midis tyre - gluonet (analoge të fotoneve në elektrodinamikën kuantike). Ndryshe nga fotonet, gluonët ndërveprojnë me njëri-tjetrin, gjë që çon, veçanërisht, në një rritje të forcës së ndërveprimit midis kuarkeve dhe gluoneve ndërsa largohen nga njëri-tjetri. Supozohet se është kjo veti që përcakton veprimin e shkurtër të forcave bërthamore dhe mungesën e kuarkeve dhe gluonëve të lirë në natyrë.

Sipas koncepteve moderne, hadronet kanë një strukturë të brendshme komplekse: barionet përbëhen nga 3 kuarkë, mesone - nga një kuark dhe një antikuark.

Megjithëse ka pakënaqësi me skemën e kuarkut, shumica e fizikanëve i konsiderojnë kuarket si grimca me të vërtetë elementare - të ngjashme me pika, të pandashme dhe pa strukturë të brendshme. Në këtë aspekt ata u ngjajnë leptonëve dhe prej kohësh supozohet se duhet të ketë një marrëdhënie të thellë midis këtyre dy familjeve të dallueshme, por strukturalisht të ngjashme.

Kështu, numri më i mundshëm i grimcave vërtet elementare (duke përjashtuar bartësit e ndërveprimeve themelore) në fund të shekullit të 20-të është 48. Prej tyre: leptonet (6x2) = 12 dhe kuarkët (6x3)x2 = 36.

Dërgoni punën tuaj të mirë në bazën e njohurive është e thjeshtë. Përdorni formularin e mëposhtëm

Studentët, studentët e diplomuar, shkencëtarët e rinj që përdorin bazën e njohurive në studimet dhe punën e tyre do t'ju jenë shumë mirënjohës.

INSTITUTI KUFIRI I KALININGRADIT I ​​SHËRBIMIT FEDERAL TË SIGURISË TË FEDERATISË RUSE

QENDRA PËR ARSIM SHTESË DHE PROFESIONAL

sipas disiplinës

"Koncepti i shkencës moderne natyrore"

"Historia e zbulimit të grimcave elementare"

përmbajtja

• Prezantimi
• Elektroni
• Foton
• Protoni
• Neutron
• Positron
• Neutrino
• Zbulimi i grimcave të çuditshme
• Grimca "simpatike".
• konkluzioni
• Lista e literaturës së përdorur

Prezantimi

Grimcat elementare në kuptimin e saktë të këtij termi janë grimca primare, më tej të pazbërthyeshme, nga të cilat, sipas supozimit, përbëhet e gjithë lënda. Koncepti i grimcave elementare në fizikën moderne shpreh idenë e entiteteve primitive që përcaktojnë të gjitha vetitë e njohura të botës materiale, një ide që lindi në fazat e hershme të formimit të shkencës natyrore dhe ka luajtur gjithmonë një rol të rëndësishëm në zhvillimin e saj. .

Fizikanët zbuluan ekzistencën e grimcave elementare në studimin e proceseve bërthamore, prandaj, deri në mesin e shekullit të 20-të, fizika e grimcave elementare ishte një degë e fizikës bërthamore. Aktualisht, fizika e grimcave elementare dhe fizika bërthamore janë degë të afërta, por të pavarura të fizikës, të bashkuara nga e përbashkëta e shumë problemeve të shqyrtuara dhe metodave të kërkimit të përdorura. Detyra kryesore e fizikës së grimcave elementare është studimi i natyrës, vetive dhe transformimeve të ndërsjella të grimcave elementare.

Zbulimi i grimcave elementare ishte rezultat i natyrshëm i përparimit të përgjithshëm në studimin e strukturës së materies, i arritur nga fizika në fund të shekullit të 19-të. Ai u përgatit nga studime gjithëpërfshirëse të spektrave optike të atomeve, studimi i fenomeneve elektrike në lëngje dhe gaze, zbulimi i fotoelektricitetit, rrezeve x, radioaktivitetit natyror, të cilat dëshmuan për ekzistencën e një strukture komplekse të materies.

Në vitet 1960 dhe 1970, fizikanët ishin krejtësisht të hutuar nga bollëku, shumëllojshmëria dhe pazakontësia e grimcave nënatomike të sapo zbuluara. Ata dukej se nuk kishin fund. Është krejtësisht e pakuptueshme pse kaq shumë grimca. A janë këto grimca elementare fragmente kaotike dhe të rastësishme të materies? Apo ndoshta ata mbajnë çelësin për të kuptuar strukturën e universit? Zhvillimi i fizikës në dekadat në vijim tregoi se nuk ka asnjë dyshim për ekzistencën e një strukture të tillë.

Koncepti i "grimcave elementare" u formua në lidhje të ngushtë me vendosjen e natyrës diskrete të strukturës së materies në nivel mikroskopik. të gjitha substancat e njohura si kombinime të një numri të kufizuar, megjithëse të madh, të komponentëve strukturorë - atomeve. në të ardhmen, prania e përbërësve përbërës të atomeve - elektroneve dhe bërthamave, krijimi i natyrës komplekse të bërthamave, të cilat rezultuan se ishin ndërtuar nga vetëm dy lloje grimcash (protone dhe neutrone), uli ndjeshëm numrin e elementeve diskrete që formojnë vetitë e materies dhe dha arsye për të supozuar se zinxhiri i pjesëve përbërëse të materies përfundon me formacione diskrete pa strukturë - grimca elementare.Një supozim i tillë, në përgjithësi, është një ekstrapolim i fakteve të njohura dhe nuk mund të vërtetohet në mënyrë rigoroze. Për të pohuar se grimcat që janë elementare në kuptimin e përkufizimit të mësipërm ekzistojnë. Protonet dhe neutronet, për shembull, të cilat për një kohë të gjatë konsideroheshin grimca elementare, siç doli, kanë një strukturë komplekse. Është e mundur që sekuenca e përbërësve strukturorë të materies është thelbësisht e pafund. Ekzistenca e grimcave elementare është një lloj postulati dhe verifikimi i vlefshmërisë së tij është një nga detyrat më të rëndësishme të fizikës.

Historia e zbulimit të grimcave elementare

Nocioni se bota përbëhet nga grimca themelore ka një histori të gjatë. Për herë të parë, ideja e ekzistencës së grimcave më të vogla të padukshme që përbëjnë të gjitha objektet përreth u shpreh 400 vjet para erës sonë nga filozofi grek Demokriti. Ai i quajti këto grimca atome, domethënë grimca të pandashme. Shkenca filloi të përdorë konceptin e atomeve vetëm në fillim të shekullit të 19-të, kur u bë e mundur të shpjegoheshin një sërë fenomenesh kimike mbi këtë bazë. Në vitet 30 të shekullit të 19-të, në teorinë e elektrolizës të zhvilluar nga M. Faraday, u shfaq koncepti i një joni dhe u mat ngarkesa elementare. Fundi i shekullit të 19-të u shënua me zbulimin e fenomenit të radioaktivitetit (A. Becquerel, 1896), si dhe zbulimet e elektroneve (J. Thomson, 1897) dhe grimcave b (E. Rutherford, 1899). Në vitin 1905, në fizikë, lindi një ide për kuantet e fushës elektromagnetike - fotonet (A. Einstein).

Në vitin 1911 u zbulua bërthama atomike (E. Rutherford) dhe më në fund u vërtetua se atomet kanë një strukturë komplekse. Në vitin 1919, Rutherford zbuloi protone në produktet e ndarjes së bërthamave të atomeve të një numri elementesh. Në vitin 1932, J. Chadwick zbuloi neutronin. U bë e qartë se bërthamat e atomeve, si vetë atomet, kanë një strukturë komplekse. U ngrit teoria proton-neutron e strukturës së bërthamave (D.D. Ivanenko dhe V. Heisenberg). Në të njëjtin vit, 1932, pozitroni u zbulua në rrezet kozmike (K. Anderson). Një pozitron është një grimcë e ngarkuar pozitivisht që ka të njëjtën masë dhe të njëjtën ngarkesë (modulo) si një elektron. Ekzistenca e pozitronit u parashikua nga P. Dirac në 1928. Gjatë këtyre viteve, u zbuluan dhe u studiuan transformimet e ndërsjella të protoneve dhe neutroneve dhe u bë e qartë se këto grimca nuk janë gjithashtu "tulla" elementare të pandryshueshme të natyrës. Në vitin 1937, në rrezet kozmike u zbuluan grimca me një masë prej 207 masash elektronike, të quajtura muone (m-mesone). Më pas, në vitet 1947-1950, u zbuluan pionët (domethënë p-mezonet), të cilat, sipas koncepteve moderne, kryejnë bashkëveprimin midis nukleoneve në bërthamë. Në vitet pasuese, numri i grimcave të zbuluara rishtazi filloi të rritet me shpejtësi. Kjo u lehtësua nga studimi i rrezeve kozmike, zhvillimi i teknologjisë së përshpejtuesit dhe studimi i reaksioneve bërthamore.

Aktualisht njihen rreth 400 grimca nënbërthamore, të cilat zakonisht quhen elementare. Shumica dërrmuese e këtyre grimcave janë të paqëndrueshme. Përjashtimet e vetme janë fotoni, elektroni, protoni dhe neutrinoja. Të gjitha grimcat e tjera pësojnë shndërrime spontane në grimca të tjera në intervale të caktuara. Grimcat elementare të paqëndrueshme ndryshojnë shumë nga njëra-tjetra në jetë. Grimca më jetëgjatë është neutroni. Jetëgjatësia e neutronit është rreth 15 minuta. Grimcat e tjera "jetojnë" për një kohë shumë më të shkurtër. Për shembull, jetëgjatësia mesatare e një m-mezon është 2.2·10 - 6 s, dhe ajo e një p-mezon neutral është 0.87·10 - 16 s. Shumë grimca masive - hiperone kanë një jetëgjatësi mesatare prej 10 - 10 s.

Ka disa dhjetëra grimca me jetëgjatësi që kalon 10 - 17 s. Për sa i përket shkallës së mikrokozmosit, kjo është një kohë domethënëse. Grimca të tilla quhen relativisht të qëndrueshme. Shumica e grimcave elementare jetëshkurtër kanë jetëgjatësi prej 10 - 22 -10 - 23 s.

Aftësia për transformime të ndërsjella është vetia më e rëndësishme e të gjitha grimcave elementare. Grimcat elementare janë të afta të lindin dhe të shkatërrohen (emetohen dhe absorbohen). Kjo vlen edhe për grimcat e qëndrueshme, me të vetmin ndryshim që shndërrimet e grimcave të qëndrueshme nuk ndodhin spontanisht, por pas ndërveprimit me grimcat e tjera. Një shembull është asgjësimi (d.m.th., zhdukja) e një elektroni dhe një pozitroni, i shoqëruar nga lindja e fotoneve me energji të lartë. Mund të ndodhë edhe procesi i kundërt - lindja e një çifti elektron-pozitron, për shembull, në përplasjen e një fotoni me një energji mjaft të lartë me një bërthamë. Një binjak kaq të rrezikshëm, siç është pozitroni për elektronin, ka edhe protoni. Quhet antiproton. Ngarkesa elektrike e antiprotonit është negative. Aktualisht, antigrimcat janë gjetur në të gjitha grimcat. Antigrimcat janë kundër grimcave sepse kur ndonjë grimcë takohet me antigrimcën e saj, ato asgjësohen, domethënë të dyja grimcat zhduken, duke u shndërruar në kuantë rrezatimi ose grimca të tjera.

Edhe neutroni ka një antigrimcë. Neutroni dhe antineutroni ndryshojnë vetëm në shenjat e momentit magnetik dhe të ashtuquajturës ngarkesë të barionit. Ekzistenca e atomeve të antimateries është e mundur, bërthamat e të cilave përbëhen nga antinukleone, dhe guaska - nga pozitrone. Gjatë asgjësimit të antimateries me lëndën, energjia e mbetur shndërrohet në energji të kuanteve të rrezatimit. Kjo është një energji e madhe, shumë më e madhe se ajo e çliruar në reaksionet bërthamore dhe termonukleare.

Në shumëllojshmërinë e grimcave elementare të njohura deri më sot, gjendet një sistem klasifikimi pak a shumë harmonik.

Grimcat elementare grupohen në tre grupe: fotone, leptone dhe hadrone.

Grupi i fotoneve përfshin të vetmen grimcë - fotonin, i cili është bartës i ndërveprimit elektromagnetik.

Grupi tjetër përbëhet nga grimca të lehta lepton. Ky grup përfshin dy lloje të neutrinos (elektronike dhe muon), elektron dhe m-mezon.

Grupi i tretë i madh përbëhet nga grimca të rënda të quajtura hadrone. Ky grup ndahet në dy nëngrupe. Grimcat më të lehta përbëjnë një nëngrup mezonesh. Më të lehtat prej tyre janë të ngarkuar pozitivisht dhe negativisht, si dhe p-mezonet neutrale me masa të rendit 250 masa elektronike. Pionet janë kuante të fushës bërthamore, ashtu si fotonet janë kuante të fushës elektromagnetike. Ky nëngrup përfshin gjithashtu katër mezon K dhe një mezon Z0. Të gjithë mezonet kanë spin të barabartë me zero.

Nëngrupi i dytë - barionet - përfshin grimca më të rënda. Është më e gjera. Barionet më të lehta janë nukleonet - protonet dhe neutronet. Ato pasohen nga të ashtuquajturat hiperone. Omega-minus-hiperoni, i zbuluar në vitin 1964, mbyll tabelën.

Bollëku i hadroneve të zbuluara dhe të sapo zbuluara i çoi shkencëtarët në idenë se të gjitha ato janë ndërtuar nga disa grimca të tjera më themelore. Në vitin 1964, fizikani amerikan M. Gell-Man parashtroi një hipotezë, të konfirmuar nga studimet e mëvonshme, se të gjitha grimcat e rënda themelore - hadronet - janë ndërtuar nga grimca më themelore të quajtura kuarkë. Bazuar në hipotezën e kuarkut, jo vetëm që u kuptua struktura e hadroneve tashmë të njohur, por u parashikua edhe ekzistenca e të rejave. Teoria Gell-Mann supozoi ekzistencën e tre kuarkeve dhe tre antikuarkeve, të cilët kombinohen me njëri-tjetrin në kombinime të ndryshme. Pra, çdo barion përbëhet nga tre kuarkë, antibarion - nga tre antikuarkë. Mezonët përbëhen nga çifte kuark-antikuark.

Me pranimin e hipotezës së kuarkut, u bë e mundur të krijohej një sistem koherent i grimcave elementare. Sidoqoftë, vetitë e parashikuara të këtyre grimcave hipotetike doli të ishin mjaft të papritura. Kërkimet e shumta për kuarke në gjendje të lirë, të kryera në përshpejtuesit me energji të lartë dhe në rrezet kozmike, rezultuan të pasuksesshme. Shkencëtarët besojnë se një nga arsyet e pavëzhgueshmërisë së kuarkut të lirë është, ndoshta, masat e tyre shumë të mëdha. Kjo parandalon krijimin e kuarkeve në energjitë që arrihen në përshpejtuesit modernë. Sidoqoftë, shumica e ekspertëve tani janë të sigurt se kuarkët ekzistojnë brenda grimcave të rënda - hadroneve.

Ndërveprimet themelore. Proceset në të cilat marrin pjesë grimca të ndryshme elementare ndryshojnë shumë në kohët dhe energjitë e tyre karakteristike. Sipas koncepteve moderne, ekzistojnë katër lloje ndërveprimesh në natyrë që nuk mund të reduktohen në lloje të tjera, më të thjeshta ndërveprimesh: të forta, elektromagnetike, të dobëta dhe gravitacionale. Këto lloj ndërveprimesh quhen themelore.

Ndërveprimi i fortë (ose bërthamor) është ndërveprimet më intensive nga të gjitha llojet e ndërveprimeve. Ato shkaktojnë një lidhje jashtëzakonisht të fortë midis protoneve dhe neutroneve në bërthamat e atomeve. Në ndërveprim të fortë mund të marrin pjesë vetëm grimcat e rënda - hadronet (mesonët dhe barionet). Ndërveprimi i fortë manifestohet në distanca të rendit dhe më pak se 10 - 15 m. Prandaj, quhet me rreze të shkurtër.

Ndërveprimi elektromagnetik. Në këtë lloj ndërveprimi mund të marrin pjesë çdo grimcë e ngarkuar elektrike, si dhe fotonet - kuantet e fushës elektromagnetike. Ndërveprimi elektromagnetik është përgjegjës, në veçanti, për ekzistencën e atomeve dhe molekulave. Ai përcakton shumë veti të substancave në gjendje të ngurtë, të lëngët dhe të gaztë. Zmbrapsja e Kulombit të protoneve çon në paqëndrueshmërinë e bërthamave me numër të madh në masë. Ndërveprimi elektromagnetik përcakton proceset e përthithjes dhe emetimit të fotoneve nga atomet dhe molekulat e materies dhe shumë procese të tjera në fizikën e mikro dhe makrobotës.

Ndërveprimi i dobët është ndërveprimet më të ngadalta që ndodhin në mikrokozmos. Çdo grimcë elementare, përveç fotoneve, mund të marrë pjesë në të.

Ndërveprimi gravitacional është i natyrshëm në të gjitha grimcat pa përjashtim, megjithatë, për shkak të vogëlësisë së masave të grimcave elementare, forcat e ndërveprimit gravitacional midis tyre janë jashtëzakonisht të vogla dhe roli i tyre në proceset e mikrokozmosit është i parëndësishëm. Forcat gravitacionale luajnë një rol vendimtar në ndërveprimin e objekteve hapësinore (yje, planetë, etj.) me masat e tyre të mëdha.

Në vitet 1930, u ngrit një hipotezë se ndërveprimet në botën e grimcave elementare kryhen përmes shkëmbimit të kuanteve të një fushe. Kjo hipotezë u parashtrua fillimisht nga bashkatdhetarët tanë I.E. Tamm dhe D.D. Ivanenko. Ata sugjeruan se ndërveprimet themelore lindin nga shkëmbimi i grimcave, ashtu si lidhja kimike kovalente e atomeve lind nga shkëmbimi i elektroneve të valencës, të cilat kombinohen në predha elektronike boshe.

Ndërveprimi i kryer nga shkëmbimi i grimcave ka marrë në fizikë emrin e ndërveprimit të shkëmbimit. Kështu, për shembull, bashkëveprimi elektromagnetik midis grimcave të ngarkuara lind si rezultat i shkëmbimit të fotoneve - kuanteve të fushës elektromagnetike.

Teoria e ndërveprimit të shkëmbimit fitoi njohje pasi fizikani japonez H. Yukawa tregoi teorikisht në 1935 se ndërveprimi i fortë midis nukleoneve në bërthamat e atomeve mund të shpjegohet duke supozuar se nukleonet shkëmbejnë grimca hipotetike të quajtura mezone. Yukawa llogariti masën e këtyre grimcave, e cila rezultoi të ishte afërsisht e barabartë me 300 masa elektronike. Grimcat me një masë të tillë u zbuluan më pas. Këto grimca quhen p-mesone (pione). Aktualisht njihen tre lloje të pioneve: p + , p - dhe p 0 .

Në vitin 1957, ekzistenca e grimcave të rënda, të ashtuquajturat bozone vektoriale W + , W - dhe Z 0, u parashikua teorikisht, duke shkaktuar mekanizmin e shkëmbimit të ndërveprimit të dobët. Këto grimca u zbuluan në vitin 1983 në eksperimentet e përplasjes së rrezeve me protone dhe antiprotone me energji të lartë. Zbulimi i bozoneve vektoriale ishte një arritje shumë e rëndësishme në fizikën e grimcave elementare. Ky zbulim shënoi suksesin e një teorie që bashkoi forcat elektromagnetike dhe ato të dobëta në një të vetme të ashtuquajtur forcë të dobët elektromagnetike. Kjo teori e re e konsideron fushën elektromagnetike dhe fushën e bashkëveprimit të dobët si përbërës të ndryshëm të së njëjtës fushë, në të cilën, së bashku me kuantin e fushës elektromagnetike, marrin pjesë edhe bozonet vektoriale.

Pas këtij zbulimi, në fizikën moderne është rritur ndjeshëm besimi se të gjitha llojet e ndërveprimeve janë të lidhura ngushtë me njëra-tjetrën dhe, në thelb, janë manifestime të ndryshme të një fushe të caktuar të unifikuar. Megjithatë, unifikimi i të gjitha ndërveprimeve është ende vetëm një hipotezë tërheqëse shkencore.

Fizikanët teorikë bëjnë përpjekje të konsiderueshme në përpjekje për të shqyrtuar në një bazë të unifikuar jo vetëm ndërveprimin elektromagnetik dhe të dobët, por edhe ndërveprimin e fortë. Kjo teori quhet Unifikimi i Madh. Shkencëtarët sugjerojnë se ndërveprimi gravitacional duhet të ketë gjithashtu bartësin e vet - një grimcë hipotetike të quajtur graviton. Megjithatë, kjo grimcë nuk është zbuluar ende.

Aktualisht, konsiderohet e provuar se një fushë e vetme që bashkon të gjitha llojet e ndërveprimit mund të ekzistojë vetëm në energji jashtëzakonisht të larta të grimcave që janë të paarritshme me përshpejtuesit modernë. Grimcat mund të zotëronin energji kaq të mëdha vetëm në fazat më të hershme të ekzistencës së Universit, e cila u ngrit si rezultat i të ashtuquajturit Big Bang. Kozmologjia - shkenca e evolucionit të universit - sugjeron se Big Bengu ndodhi 18 miliardë vjet më parë. Modeli standard i evolucionit të Universit supozon se në periudhën e parë pas shpërthimit, temperatura mund të arrijë 10 32 K, dhe energjia e grimcave E = kT mund të arrijë 10 19 GeV. Gjatë kësaj periudhe, materia ekzistonte në formën e kuarkut dhe neutrinos, ndërsa të gjitha llojet e ndërveprimeve u kombinuan në një fushë të vetme force. Gradualisht, ndërsa Universi zgjerohej, energjia e grimcave u zvogëlua dhe bashkëveprimi gravitacional u nda fillimisht nga fusha e unifikuar e ndërveprimeve (në energjitë e grimcave prej ≈ 1019 GeV), dhe më pas ndërveprimi i fortë u nda nga ai elektrodobët (në energjitë e urdhri i 1014 GeV). Me energji të rendit 10 3 GeV, të katër llojet e ndërveprimeve themelore rezultuan të ndaheshin. Njëkohësisht me këto procese vazhdoi formimi i formave më komplekse të materies - nukleoneve, bërthamave të lehta, joneve, atomeve etj. Kozmologjia në modelin e saj përpiqet të gjurmojë evolucionin e Universit në faza të ndryshme të zhvillimit të tij nga Big Bengu deri në ditët e sotme, bazuar në ligjet e fizikës së grimcave elementare, si dhe të fizikës bërthamore dhe atomike.

Elektroni

Ndoshta këto elektrone Botë, ku janë pesë kontinente, Arte, dije, luftëra, frone Dhe kujtimi i dyzet shekujve!

Poema e Valery Bryusov "Bota e elektronit" u shkrua më 13 gusht 1922.

Historikisht, grimca e parë elementare e zbuluar ishte elektroni - bartësi i ngarkesës elektrike elementare negative në atome.

Kjo është grimca elementare "më e vjetër". Në aspektin ideologjik, ai hyri në fizikë në vitin 1881, kur Helmholtz, në një fjalim për nder të Faradeit, vuri në dukje se struktura atomike e materies, së bashku me ligjet e elektrolizës së Faradeit, çon në mënyrë të pashmangshme në idenë se ngarkesa elektrike duhet të jetë gjithmonë një shumëfish i ndonjë ngarkese elementare, dmth. në përfundimin rreth kuantizimit të ngarkesës elektrike. Bartësi i ngarkesës elementare negative, siç e dimë tani, është elektroni.

Maxwell, nga ana tjetër, i cili krijoi teorinë themelore të fenomeneve elektrike dhe magnetike dhe përdori ndjeshëm rezultatet eksperimentale të Faradeit, nuk e pranoi hipotezën e elektricitetit atomik.

Ndërkaq, teoria e “përkohshme” e ekzistencës së elektronit u vërtetua në vitin 1897 në eksperimentet e JJ Thomson, në të cilat ai identifikoi të ashtuquajturat rreze katodike me elektrone dhe mati ngarkesën dhe masën e elektronit. Thomson i quajti grimcat e rrezeve katodike "korpuskula" ose atome primordiale. Fjala "elektron" u përdor fillimisht për të treguar madhësinë e ngarkesës së "korpuskulës". Dhe vetëm me kalimin e kohës, vetë grimca filloi të quhej elektron. Sidoqoftë, ideja e elektronit nuk u pranua menjëherë. Kur, në një leksion në Shoqërinë Mbretërore, J. J. Thomson, zbuluesi i elektronit, sugjeroi që grimcat e rrezeve katodike të konsideroheshin si përbërës të mundshëm të atomit, disa nga kolegët e tij besuan sinqerisht se ai po i mistifikonte ato. Vetë Planck pranoi në 1925 se ai nuk besonte plotësisht atëherë, në vitin 1900, në hipotezën e elektronit.

Mund të themi se pas eksperimenteve të Millikanit, i cili mati në 1911. ngarkesat e elektroneve individuale, kjo grimcë e parë elementare mori të drejtën e ekzistencës.

Foton

Prova e drejtpërdrejtë eksperimentale e ekzistencës së fotonit është dhënë nga R. Millikan në vitet 1912-1915. në studimet e tij për efektin fotoelektrik, si dhe nga A. Compton në 1922, i cili zbuloi shpërndarjen e rrezeve x me një ndryshim në frekuencën e tyre.

Një foton është, në një farë kuptimi, një grimcë e veçantë. Fakti është se masa e tij e pushimit, ndryshe nga grimcat e tjera (përveç neutrinos), është e barabartë me zero. Prandaj, ajo nuk u konsiderua menjëherë si një grimcë: në fillim besohej se prania e një mase të fundme dhe jo zero është një tipar i detyrueshëm i një grimce elementare.

Një foton është një kuant "i animuar" i dritës Planck, d.m.th. një kuant drite që mbart moment.

Kuantet e lehta u prezantuan nga Planck në 1901 për të shpjeguar ligjet e rrezatimit të një trupi plotësisht të zi. Por ai nuk ishte grimca, por vetëm "pjesët" minimale të mundshme të energjisë së dritës të një frekuence ose një tjetër.

Edhe pse supozimi i Planck për kuantizimin e energjisë së dritës ishte absolutisht në kundërshtim me të gjithë teorinë klasike, vetë Planck nuk e kuptoi menjëherë këtë. Shkencëtari shkroi se ai "... u përpoq të fuste disi vlerën e h në kuadrin e teorisë klasike. Megjithatë, pavarësisht të gjitha përpjekjeve të tilla, kjo vlerë doli të ishte shumë kokëfortë". Më pas, kjo vlerë u quajt konstanta e Planck-ut (h=6*10 -27 erg. s).

Pas futjes së konstantës së Planck, situata nuk u bë më e qartë.

Fotonet ose kuantet u bënë "të gjalla" nga teoria e relativitetit të Ajnshtajnit, i cili në vitin 1905 tregoi se kuantet duhet të kenë jo vetëm energji, por edhe vrull, dhe se ato janë grimca në kuptimin e plotë, vetëm të veçanta, pasi masa e tyre e pushimit është zero dhe lëvizin me shpejtësinë e dritës.

Pra, përfundimi për ekzistencën e një grimce të fushës elektromagnetike - një foton - buron nga puna e M. Planck (1900). Duke supozuar se energjia e rrezatimit elektromagnetik të një trupi absolutisht të zi është e kuantizuar, Planck mori formulën e saktë për spektrin e rrezatimit. Duke zhvilluar idenë e Planck-ut, A. Einstein (1905) supozoi se rrezatimi elektromagnetik (drita) është në fakt një rrjedhë kuantesh individuale (fotone), dhe mbi këtë bazë shpjegoi ligjet e efektit fotoelektrik.

Protoni

Protoni u zbulua nga E. Rutherford në 1919 në studimet e ndërveprimit të grimcave alfa me bërthamat atomike.

Më saktësisht, zbulimi i protonit lidhet me zbulimin e bërthamës atomike. Ai u krijua nga Rutherford duke bombarduar atomet e azotit me grimca b me energji të lartë. Rutherford arriti në përfundimin se "bërthama e atomit të azotit shpërbëhet si rezultat i forcave të mëdha që zhvillohen pas përplasjes me një grimcë të shpejtë 6, dhe se atomi i hidrogjenit të çliruar formon një pjesë integrale të bërthamës së azotit." Në vitin 1920, bërthamat e atomit të hidrogjenit u quajtën protone nga Rutherford (proton në greqisht do të thotë më i thjeshtë, primar). Ka pasur sugjerime të tjera për një emër. Kështu, për shembull, u propozua emri "baron" (baros në greqisht do të thotë peshë). Sidoqoftë, ai theksoi vetëm një veçori të bërthamës së hidrogjenit - masën e tij. Termi "proton" ishte shumë më i thellë dhe më kuptimplotë, duke reflektuar natyrën themelore të protonit, sepse protoni është bërthama më e thjeshtë - bërthama e izotopit më të lehtë të hidrogjenit. Ky është padyshim një nga termat më të suksesshëm në fizikën e grimcave elementare. Kështu, protonet janë grimca me një ngarkesë pozitive njësi dhe një masë 1840 herë më e madhe se masa e një elektroni.

Neutron

Një grimcë tjetër që përbën bërthamën, neutron, u zbulua në vitin 1932 nga J. Chadwick gjatë studimit të ndërveprimit të 6 grimcave me beriliumin. Neutroni ka një masë të afërt me atë të protonit, por nuk ka ngarkesë elektrike. Zbulimi i neutronit përfundoi identifikimin e grimcave - elementet strukturore të atomeve dhe bërthamave të tyre.

Zbulimi i izotopeve nuk e sqaroi çështjen e strukturës së bërthamës. Në këtë kohë, njiheshin vetëm protonet - bërthamat e hidrogjenit dhe elektronet, dhe për këtë arsye ishte e natyrshme të përpiqeshim të shpjegonim ekzistencën e izotopeve me kombinime të ndryshme të këtyre grimcave të ngarkuara pozitivisht dhe negativisht. Dikush mund të mendojë se bërthamat përmbajnë protone A, ku A është numri i masës, dhe elektrone A?Z. Në këtë rast, ngarkesa totale pozitive përkon me numrin atomik Z.

Një pamje kaq e thjeshtë e një bërthame homogjene në fillim nuk kundërshtoi përfundimin në lidhje me madhësinë e vogël të bërthamës, e cila pasoi nga eksperimentet e Rutherford. "Rrezja natyrore" e një elektroni r0 \u003d e 2 /mc 2 (e cila përftohet duke barazuar energjinë elektrostatike e 2 /r0 të ngarkesës së shpërndarë mbi shtresën sferike në vetë-energjinë e elektronit mc 2) është r0 \u003d 2,82 * 10 - 15 m. Një elektron i tillë është mjaft i vogël për të qenë brenda një bërthame me rreze 10 - 14 m, megjithëse do të ishte e vështirë të vendosësh një numër të madh grimcash atje. Në vitin 1920 Rutherford dhe të tjerë konsideruan mundësinë e një kombinimi të qëndrueshëm të një protoni dhe një elektroni, duke riprodhuar një grimcë neutrale me një masë afërsisht të barabartë me atë të një protoni. Megjithatë, për shkak të mungesës së një ngarkese elektrike, grimca të tilla do të ishin të vështira për t'u zbuluar. Nuk ka gjasa që ata gjithashtu të mund të rrëzojnë elektronet nga sipërfaqet metalike, si valët elektromagnetike gjatë efektit fotoelektrik.

Vetëm një dekadë më vonë, pasi radioaktiviteti natyror ishte hetuar tërësisht dhe rrezatimi radioaktiv filloi të përdorej gjerësisht për të shkaktuar transformim artificial të atomeve, ekzistenca e një përbërësi të ri të bërthamës u vërtetua në mënyrë të besueshme. Në vitin 1930, W. Bothe dhe G. Becker nga Universiteti i Giessen-it rrezatuan litium dhe berilium me grimca alfa dhe, duke përdorur një numërues Geiger, regjistruan rrezatimin depërtues që rezulton. Meqenëse ky rrezatim nuk ndikohej nga fushat elektrike dhe magnetike dhe kishte një fuqi të lartë depërtuese, autorët arritën në përfundimin se rrezatimi i fortë gama u emetua. Në vitin 1932, F. Joliot dhe I. Curie përsëritën eksperimentet me beriliumin, duke kaluar një rrezatim të tillë depërtues përmes një blloku parafine. Ata zbuluan se protonet me energji jashtëzakonisht të lartë emetoheshin nga parafina dhe arritën në përfundimin se rrezatimi gama që kalonte përmes parafinës prodhoi protone si rezultat i shpërndarjes. (Në vitin 1923 u zbulua se rrezet X shpërndahen në elektrone, duke dhënë efektin Compton)

J. Chadwick përsëriti eksperimentin. Ai përdori gjithashtu parafinë dhe, duke përdorur një dhomë jonizimi, në të cilën ngarkesa e krijuar kur elektronet u rrëzuan nga atomet, u mblodh, ai mati gamën e protoneve të kthimit.

Chadwick përdori gjithashtu azot të gaztë (në një dhomë reje ku pikat e ujit kondensohen përgjatë gjurmës së një grimce të ngarkuar) për të thithur rrezatimin dhe për të matur gamën e atomeve të kthimit të azotit. Duke zbatuar ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit në rezultatet e të dy eksperimenteve, ai arriti në përfundimin se rrezatimi neutral i zbuluar nuk është rrezatim gama, por një rrjedhë grimcash me një masë afër asaj të një protoni. Chadwick tregoi gjithashtu se burimet e njohura të rrezatimit gama nuk nxjerrin jashtë protonet. Kjo konfirmoi ekzistencën e një grimce të re, e cila tani quhet neutron.

Ndarja e beriliumit metalik vazhdoi si më poshtë: grimcat alfa prej 4 2 He (ngarkesa 2, masa numër 4) u përplasën me bërthamat e beriliumit (ngarkesa 4, masa numër 9), duke rezultuar në karbon dhe një neutron. Zbulimi i neutronit ishte një hap i rëndësishëm përpara. Karakteristikat e vëzhguara të bërthamave tani mund të interpretohen duke marrë parasysh neutronet dhe protonet si përbërës të bërthamave. Tani dihet se neutroni është 0.1% më i rëndë se protoni. Neutronet e lira (jashtë bërthamës) i nënshtrohen zbërthimit radioaktiv, duke u shndërruar në një proton dhe një elektron. Kjo të kujton hipotezën origjinale të një grimce neutrale të përbërë. Megjithatë, brenda një bërthame të qëndrueshme, neutronet janë të lidhur me protonet dhe nuk prishen spontanisht.

Positron

Duke filluar nga vitet 1930 dhe deri në vitet 1950, grimcat e reja u zbuluan kryesisht në rrezet kozmike. Në vitin 1932, në përbërjen e tyre, A. Anderson zbuloi antigrimcën e parë - pozitron (e +) - një grimcë me masën e një elektroni, por me një ngarkesë elektrike pozitive. Pozitroni ishte antigrimca e parë e zbuluar. Ekzistenca e e+ rrjedh drejtpërdrejt nga teoria relativiste e elektronit e zhvilluar nga P. Dirac (1928-31) pak para zbulimit të pozitronit. Në vitin 1936 Fizikantët amerikanë K. Anderson dhe S. Neddermeyer zbuluan muonet (të të dyja shenjave të ngarkesës elektrike) në studimin e rrezeve kozmike - grimca me një masë prej rreth 200 masa elektronesh, por përndryshe çuditërisht të ngjashme në veti me e-, e +.

Pozitronet (elektronet pozitive) nuk mund të ekzistojnë në materie, sepse kur ato ngadalësohen, ato asgjësohen, duke u lidhur me elektronet negative. Në këtë proces, i cili mund të konsiderohet si procesi i kundërt i prodhimit të çifteve, elektronet pozitive dhe negative zhduken, ndërsa formohen fotone, të cilave u transferohet energjia e tyre. Në asgjësimin e një elektroni dhe një pozitroni, në shumicën e rasteve formohen dy fotone, shumë më rrallë - një foton. Asgjësimi me një foton mund të ndodhë vetëm kur elektroni është i lidhur fort me bërthamën; pjesëmarrja e bërthamës në këtë rast është e nevojshme për ruajtjen e momentit. Asgjësimi me dy fotone, përkundrazi, mund të ndodhë edhe me një elektron të lirë. Shpesh procesi i asgjësimit ndodh pasi pozitroni është pothuajse plotësisht i ndalur. Në këtë rast, dy fotone me energji të barabarta emetohen në drejtime të kundërta.

Pozitroni u zbulua nga Anderson gjatë studimit të rrezeve kozmike duke përdorur metodën e dhomës së reve. Figura, e cila është një riprodhim i një fotografie të bërë nga Anderson në një dhomë re, tregon një grimcë pozitive që hyn në një pllakë plumbi 0,6 cm të trashë me një vrull prej 6,3 * 107 eV / s dhe e lë atë me një vrull prej 2,3 * 107 eV. / s nga. Dikush mund të vendosë një kufi të sipërm në masën e kësaj grimce, duke supozuar se ajo humbet energji vetëm në përplasje. Ky limit është 20 unë. Bazuar në këtë dhe fotografi të tjera të ngjashme, Anderson hipotezoi ekzistencën e një grimce pozitive me një masë afërsisht të barabartë me atë të një elektroni të zakonshëm. Ky përfundim u konfirmua shpejt nga vëzhgimet nga Blackett dhe Occhialini në një dhomë reje. Menjëherë pas kësaj, Curie dhe Joliot zbuluan se pozitronet prodhohen nga shndërrimi i rrezeve gama nga burimet radioaktive, dhe gjithashtu emetohen nga izotopet radioaktive artificiale. Meqenëse fotoni, duke qenë neutral, formon një çift (pozitron dhe elektron), nga parimi i ruajtjes së ngarkesës elektrike rrjedh se vlera absolute e ngarkesës së pozitronit është e barabartë me ngarkesën e elektronit.

Përcaktimi i parë sasior i masës së pozitronit u bë nga Thiebaud, i cili mati raportin e/m duke përdorur metodën trokoide dhe arriti në përfundimin se masat e pozitronit dhe elektronit ndryshojnë jo më shumë se 15%. Eksperimentet e mëvonshme nga Spies dhe Zan, të cilët përdorën një konfigurim spektrografik masiv, treguan se masat e elektronit dhe pozitronit përkojnë brenda 2%. Akoma më vonë, Dumond dhe bashkëpunëtorët matën me saktësi të madhe gjatësinë e valës së rrezatimit të asgjësimit. Deri në gabimet eksperimentale (0.2%), ata morën vlerën e gjatësisë së valës, e cila duhet të pritet me supozimin se pozitroni dhe elektroni kanë masa të barabarta.

Ligji i ruajtjes së momentit këndor i zbatuar në procesin e prodhimit të çifteve tregon se pozitronet kanë një rrotullim gjysmë të plotë dhe, për rrjedhojë, i binden statistikave të Fermit. Është e arsyeshme të supozohet se spin-i i pozitronit është 1/2, siç është spin-i i elektronit.

pioneve dhe muoneve. Zbulimi i Mesonit

Zbulimi i mezonit, ndryshe nga zbulimi i pozitronit, nuk ishte rezultat i një vëzhgimi të vetëm, por më tepër një përfundim nga një seri e tërë studimesh eksperimentale dhe teorike.

Në vitin 1932, Rossi, duke përdorur metodën e rastësisë të propozuar nga Bothe dhe Kolhurster, tregoi se një pjesë e njohur e rrezatimit kozmik të vëzhguar në nivelin e detit përbëhet nga grimca të afta të depërtojnë nëpër pllaka plumbi deri në 1 m të trasha. Menjëherë pas kësaj, ai gjithashtu tërhoqi vëmendjen për ekzistencën në rrezet kozmike të dy komponentëve të ndryshëm. Grimcat e një komponenti (përbërësi depërtues) janë në gjendje të kalojnë nëpër trashësi të mëdha të lëndës, dhe shkalla e përthithjes së tyre nga substanca të ndryshme është afërsisht proporcionale me masën e këtyre substancave. Grimcat e komponentit tjetër (komponenti i dushit) absorbohen shpejt, veçanërisht nga elementët e rëndë; në këtë rast formohen një numër i madh grimcash dytësore (dushe). Eksperimentet e dhomës së reve nga Anderson dhe Neddemeyer mbi kalimin e grimcave të rrezeve kozmike nëpër pllaka plumbi treguan gjithashtu se ekzistojnë dy përbërës të veçantë të rrezeve kozmike. Këto eksperimente treguan se ndërsa humbja mesatare e energjisë e grimcave të rrezeve kozmike në plumb ishte sipas madhësisë së humbjes së llogaritur teorikisht nga përplasja, disa nga këto grimca pësuan humbje shumë më të mëdha.

Në vitin 1934, Bethe dhe Heitler publikuan teorinë e humbjes rrezatuese të elektroneve dhe prodhimin e çifteve nga fotonet. Vetitë e komponentit më pak depërtues të vëzhguara nga Anderson dhe Neddemeyer ishin në përputhje me vetitë e elektroneve të parashikuara nga teoria e Bethe dhe Heitler; në këtë rast, humbjet e mëdha u shpjeguan nga proceset e rrezatimit. Vetitë e rrezatimit formues të dushit të zbuluara nga Rossi mund të shpjegohen gjithashtu duke supozuar se ky rrezatim përbëhet nga elektrone dhe fotone me energji të lartë. Nga ana tjetër, duke njohur vlefshmërinë e teorisë së Bethes dhe Heitlerit, duhej të konkludohej se grimcat "depërtuese" në eksperimentet e Rossit dhe grimcat më pak të zhytura në eksperimentet e Anderson dhe Neddemeyer ndryshojnë nga elektronet. Ne duhej të supozonim se grimcat depërtuese janë më të rënda se elektronet, pasi, sipas teorisë, humbja e energjisë për rrezatim është në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e masës.

Në lidhje me këtë, u diskutua mundësia e kolapsit të teorisë së rrezatimit në energji të larta. Si një alternativë, Williams sugjeroi në 1934 se grimcat depërtuese të rrezeve kozmike mund të kenë masën e një protoni. Një nga vështirësitë e lidhura me këtë hipotezë ishte domosdoshmëria e ekzistencës së protoneve jo vetëm pozitive, por edhe negative, sepse eksperimentet e dhomës së reve treguan se grimcat depërtuese të rrezeve kozmike kanë ngarkesa të të dy shenjave. Për më tepër, në disa fotografi të marra nga Anderson dhe Neddemeyer në një dhomë re, mund të shiheshin grimca që nuk rrezatonin si elektronet, por, megjithatë, nuk ishin aq të rënda sa protonet. Kështu, nga fundi i vitit 1936, u bë pothuajse e qartë se, përveç elektroneve, rrezet kozmike përmbanin edhe grimca të një lloji deri më tani të panjohur, me sa duket grimca me një masë të ndërmjetme midis asaj të një elektroni dhe asaj të një protoni. Duhet të theksohet gjithashtu se në vitin 1935, Yukawa, nga konsideratat thjesht teorike, parashikoi ekzistencën e grimcave të tilla.

Ekzistenca e grimcave me masë të ndërmjetme u vërtetua drejtpërdrejt në 1937 nga eksperimentet e Neddemeyer dhe Anderson, Street dhe Stevenson.

Eksperimentet e Neddemeyer dhe Anderson ishin një vazhdim (me një teknikë të përmirësuar) të studimeve të përmendura më sipër mbi humbjet e energjisë të grimcave të rrezeve kozmike. Ato u kryen në një dhomë reje të vendosur në një fushë magnetike dhe të ndarë në dy gjysma nga një pllakë platini 1 cm e trashë. Humbja e momentit për grimcat individuale të rrezeve kozmike u përcaktua duke matur lakimin e gjurmës para dhe pas pllakës.

Grimcat e absorbuara lehtë mund të interpretohen si elektrone. Ky interpretim mbështetet nga fakti se, ndryshe nga grimcat depërtuese, grimcat e absorbuara shpesh shkaktojnë procese dytësore në absorbuesin e platinit dhe në pjesën më të madhe ndodhin në grupe (dy ose më shumë). Kjo është pikërisht ajo që pritej, pasi shumë nga elektronet e vëzhguara me të njëjtën gjeometri eksperimentale si ato të Neddemeyer dhe Anderson janë pjesë e dusheve të formuara në lëndën përreth. Për sa i përket natyrës së grimcave depërtuese, dy rezultatet e mëposhtme të marra nga Neddemeyer dhe Anderson shpjeguan shumë këtu.

një). Përkundër faktit se grimcat e absorbuara janë relativisht më të zakonshme në momente të ulëta, dhe grimcat depërtuese janë të kundërta (më të shpeshta në momentin e madh), ekziston një interval momenti në të cilin përfaqësohen grimcat e absorbuara dhe ato depërtuese. Kështu, ndryshimi në sjelljen e këtyre dy llojeve të grimcave nuk mund t'i atribuohet ndryshimit në energji. Ky rezultat përjashton mundësinë e konsiderimit të grimcave depërtuese si elektrone, duke shpjeguar sjelljen e tyre me padrejtësinë e teorisë së rrezatimit në energji të larta.

2). Ka një numër grimcash depërtuese me moment më të vogël se 200 MeV/c që nuk prodhojnë më shumë jonizues sesa një grimcë e ngarkuar e vetme pranë minimumit të kurbës së jonizimit. Kjo do të thotë se grimcat depërtuese të rrezeve kozmike janë shumë më të lehta se protonet, pasi një proton me një momentum më të vogël se 200 MeV/c prodhon një jonizëm specifik që është rreth 10 herë më i ulët se ai.

Street dhe Stevenson u përpoqën të vlerësonin drejtpërdrejt masën e grimcave të rrezeve kozmike duke matur njëkohësisht momentin dhe jonizimin specifik. Ata përdorën një dhomë reje, e cila kontrollohej nga një sistem numëruesish Geiger-Muller të ndezur për antikoincidenca. Kjo arriti përzgjedhjen e grimcave afër fundit të gamës së tyre. Dhoma u vendos në një fushë magnetike me një forcë prej 3500 gauss; Dhoma u ndez me një vonesë prej rreth 1 sekondë, gjë që bëri të mundur numërimin e pikave. Mes një numri të madh fotografish, Street dhe Stevenson gjetën një me interes ekstrem.

Kjo fotografi tregon gjurmën e një grimce me një momentum prej 29 MeV/c, jonizimi i së cilës është rreth gjashtë herë minimumi. Kjo grimcë ka një ngarkesë negative ndërsa lëviz poshtë. Duke gjykuar nga momenti dhe jonizimi specifik, masa e tij është rreth 175 masa elektronike; një gabim i mundshëm prej 25% është për shkak të pasaktësisë së matjes së jonizimit specifik. Vini re se një elektron me një momentum prej 29 MeV/c ka praktikisht jonizimin minimal. Nga ana tjetër, grimcat me këtë momentum dhe masë protonike (qoftë një proton i zakonshëm që lëviz lart ose një proton negativ që lëviz poshtë) kanë një jonizimin specifik që është rreth 200 herë minimumi; përveç kësaj, diapazoni i një protoni të tillë në gazin e dhomës duhet të jetë më i vogël se 1 cm.Në të njëjtën kohë, gjurma në fjalë është qartë e dukshme për 7 cm, pas së cilës largohet nga vëllimi i ndriçuar.

Eksperimentet e përshkruara më lart vërtetuan se grimcat depërtuese janë me të vërtetë më të rënda se elektronet, por më të lehta se protonet. Përveç kësaj, eksperimenti i Street dhe Stevenson dha vlerësimin e parë të përafërt të masës së kësaj grimce të re, të cilën tani mund ta quajmë me emrin e saj të zakonshëm, meson.

Kështu në vitin 1936 A. Anderson dhe S. Neddermeyer zbuluan muonin (m - meson). Kjo grimcë ndryshon nga elektroni vetëm në masën e saj, e cila është afërsisht 200 herë më e madhe se elektroni.

Në vitin 1947 Powell vëzhgoi gjurmë të grimcave të ngarkuara në emulsionet fotografike, të cilat u interpretuan si mesone Yukawa dhe u quajtën p meson ose pione. Produktet e zbërthimit të pioneve të ngarkuara, të cilat janë gjithashtu grimca të ngarkuara, quheshin m-mezone ose muone. Ishin muonet negative që u vunë re në eksperimentet e Conversit: ndryshe nga pionët, muonet, si elektronet, nuk ndërveprojnë fort me bërthamat atomike.

Meqenëse zbërthimi i pioneve të ndaluar prodhonte gjithmonë muone me një energji të përcaktuar rreptësisht, pasoi që kalimi i p në m të prodhonte një grimcë më shumë neutrale (masa e saj doli të ishte shumë afër zeros). Nga ana tjetër, kjo grimcë praktikisht nuk ndërvepron me materien, kështu që u arrit në përfundimin se nuk mund të jetë një foton. Kështu, fizikanët kanë hasur në një grimcë të re neutrale, masa e së cilës është zero. Kështu, u zbulua një meson i ngarkuar Yukawa, i cili u zbërthye në një muon dhe një neutrino. Jetëgjatësia p-mezon në lidhje me këtë zbërthim doli të jetë 2×10 -8 s. Pastaj doli se muoni është gjithashtu i paqëndrueshëm, që si rezultat i prishjes së tij, formohet një elektron. Jetëgjatësia e muonit doli të jetë rreth 10 -6 s. Meqenëse elektroni i formuar gjatë zbërthimit të muonit nuk ka një energji të përcaktuar rreptësisht, u arrit në përfundimin se, së bashku me elektronin, dy neutrino formohen gjatë zbërthimit të muonit. Në vitin 1947, gjithashtu në rrezet kozmike, grupi i S. Powell zbuloi p+ dhe p- mezone me një masë prej 274 masash elektronike, të cilat luajnë një rol të rëndësishëm në bashkëveprimin e protoneve me neutronet në bërthama. Ekzistenca e grimcave të tilla u sugjerua nga H. Yukawa në 1935.

Neutrino

Zbulimi i neutrinës, një grimcë që pothuajse nuk ndërvepron me materien, buron nga hamendësimi teorik i W. Pauli (1930), i cili bëri të mundur, duke supozuar lindjen e një grimce të tillë, eliminimin e vështirësive me ligjin e ruajtja e energjisë në proceset e zbërthimit beta të bërthamave radioaktive. Ekzistenca e neutrinos u konfirmua eksperimentalisht vetëm në vitin 1953 (F. Reines dhe K. Cowen, SHBA).

Gjatë zbërthimit beta të bërthamave, siç kemi thënë tashmë, përveç elektroneve, fluturojnë edhe neutrinot. Kjo grimcë u "futur" së pari në fizikë teorikisht. Ishte ekzistenca e neutrinës që u postulua nga Pauli në vitin 1929, shumë vite përpara zbulimit të tij eksperimental (1956). Neutrinoja, një grimcë neutrale me masë zero (ose me masë të papërfillshme), iu desh Paulit për të shpëtuar ligjin e ruajtjes së energjisë në procesin e beta-zbërthimit të bërthamave atomike.

Fillimisht, Pauli e quajti grimcën hipotetike neutrale të formuar gjatë zbërthimit beta të bërthamave neutron (kjo ishte përpara zbulimit të Chadwick) dhe sugjeroi se ishte pjesë e bërthamës.

Sa e vështirë ishte të arrihej te hipoteza e neutrinoteve, të cilat formohen në vetë aktin e zbërthimit të neutroneve, mund të shihet të paktën nga fakti se vetëm një vit para shfaqjes së artikullit themelor të Fermit mbi vetitë e ndërveprimit të dobët, studiuesi përdori termin "neutron" në një raport mbi gjendjen aktuale të fizikës bërthamore për të treguar dy grimcat që tani quhen neutron dhe neutrino. "Për shembull, sipas propozimit të Paulit," thotë Fermi, "do të ishte e mundur të imagjinohet se brenda bërthamës atomike ka neutrone që do të emetohen njëkohësisht me grimcat β. Këto neutrone mund të kalojnë nëpër trashësi të mëdha të materies, praktikisht pa duke humbur energjinë e tyre, dhe për këtë arsye, ato do të ishin praktikisht të pavëzhgueshme.Ekzistenca e neutronit, pa dyshim, thjesht mund të shpjegojë disa pyetje ende të pakuptueshme, si statistikat e bërthamave atomike, momentet e duhura anormale të disa bërthamave, dhe gjithashtu, ndoshta , natyra e rrezatimit depërtues." Në të vërtetë, kur bëhet fjalë për një grimcë të emetuar me β-elektrone dhe të përthithur dobët nga materia, është e nevojshme të mbani parasysh neutrinën. Mund të konkludohet se në vitin 1932 problemet e neutronit dhe neutrinos ishin jashtëzakonisht të ngatërruara. U desh një vit punë e vështirë nga teoricienët dhe eksperimentuesit për të zgjidhur vështirësitë themelore dhe terminologjike.

"Pas zbulimit të neutronit," tha Pauli, "në seminare në Romë, Fermi filloi ta quante grimcën time të re të emetuar gjatë zbërthimit beta "neutrino" për ta dalluar atë nga neutroni i rëndë. Ky emër italian është bërë përgjithësisht i pranuar."

Në vitet 1930, teoria e Fermit u përgjithësua në zbërthimin e pozitronit (Wick, 1934) dhe në kalimet me një ndryshim në momentin këndor të bërthamës (Gamow dhe Teller, 1937).

"Fati" i një neutrine mund të krahasohet me "fatin" e një elektroni. Të dy grimcat fillimisht ishin hipotetike - elektroni u fut për të sjellë strukturën atomike të materies në përputhje me ligjet e elektrolizës, dhe neutrinoja - për të kursyer ligjin e ruajtjes së energjisë në procesin e beta-zbërthimit. Dhe vetëm shumë më vonë ato u zbuluan si të vërteta.

Në vitin 1962, u zbulua se ka dy neutrino të ndryshme: elektron dhe muon. Në vitin 1964, në zbërthimet e K-mezoneve neutrale, u zbulua i ashtuquajturi jokonservim. barazi e kombinuar (prezantuar nga Li Tsung-tao dhe Yang Chen-ning dhe në mënyrë të pavarur nga L.D. Landau në 1956), që nënkupton nevojën për të rishikuar pikëpamjet e zakonshme mbi sjelljen e proceseve fizike gjatë funksionimit të reflektimit të kohës.

Zbulimi i grimcave të çuditshme

Fundi i viteve 40 - fillimi i viteve 50. u shënuan nga zbulimi i një grupi të madh grimcash me veti të pazakonta, të quajtura "të çuditshme". u bënë në përshpejtues - instalime që krijojnë flukse intensive të protoneve dhe elektroneve të shpejta. Kur përplasen me lëndën, protonet dhe elektronet e përshpejtuara krijojnë elemente të reja. grimcat, të cilat bëhen objekt studimi.

Në vitin 1947, Butler dhe Rochester vëzhguan dy grimca, të quajtura grimca V, në një dhomë reje. Janë vërejtur dy gjurmë, sikur të formonin shkronjën latine V. Formimi i dy gjurmëve tregonte se grimcat ishin të paqëndrueshme dhe u zbërthyen në të tjera më të lehta. Një nga grimcat V ishte neutrale dhe u zbërthye në dy grimca të ngarkuara me ngarkesa të kundërta. (Më vonë u identifikua me K-mezonin neutral, i cili zbërthehet në pione pozitive dhe negative). Tjetra u ngarkua dhe u zbërthye në një grimcë të ngarkuar me një masë më të vogël dhe një grimcë neutrale. (Më vonë u identifikua me mezonin e ngarkuar K+, i cili zbërthehet në pione të ngarkuar dhe neutralë).

Grimcat V lejojnë, në shikim të parë, një interpretim tjetër: pamja e tyre mund të interpretohet jo si një zbërthim i grimcave, por si një proces shpërndarjeje. Në të vërtetë, proceset e shpërndarjes së një grimce të ngarkuar nga një bërthamë me formimin e një grimce të ngarkuar në gjendjen përfundimtare, si dhe shpërndarja joelastike e një grimce neutrale nga një bërthamë me formimin e dy grimcave të ngarkuara, do të duken të njëjta në një dhomë reje si zbërthimi i grimcave V. Por një mundësi e tillë u përjashtua lehtësisht me arsyetimin se proceset e shpërndarjes janë më të mundshme në media më të dendura. Dhe ngjarjet V nuk u vunë re në plumb, i cili ishte i pranishëm në dhomën e reve, por drejtpërdrejt në vetë dhomën, e cila është e mbushur me një gaz me një densitet më të ulët (krahasuar me densitetin e plumbit).

Vëmë re se nëse zbulimi eksperimental i p-mezonit ishte në një farë kuptimi "i pritshëm" në lidhje me nevojën për të shpjeguar natyrën e ndërveprimeve të nukleoneve, atëherë zbulimi i grimcave V, si zbulimi i muonit, doli të të jetë një surprizë e plotë.

Zbulimi i grimcave V dhe përcaktimi i karakteristikave të tyre më "elementare" zgjati më shumë se një dekadë. Pas vëzhgimit të parë të këtyre grimcave në 1947. Rochester dhe Butler vazhduan eksperimentet e tyre për dy vjet të tjera, por ata nuk arritën të vëzhgonin asnjë grimcë të vetme. Dhe vetëm pasi pajisjet u ngritën lart në male, u zbuluan përsëri grimcat V, si dhe u zbuluan grimca të reja.

Siç doli më vonë, të gjitha këto vëzhgime rezultuan të ishin vëzhgime të zbërthimeve të ndryshme të së njëjtës grimcë - K-meson (i ngarkuar ose neutral).

"Sjellja" e grimcave V në lindje dhe prishja e mëvonshme çoi në faktin se ato quheshin të çuditshme.

Grimcat e çuditshme u morën për herë të parë në laborator në vitin 1954. Fowler, Shutt, Thorndike dhe Whitemore, të cilët, duke përdorur një rreze jonike nga kozmotroni Brookhaven me një energji fillestare prej 1.5 GeV, vëzhguan reagimet e prodhimit asociativ të grimcave të çuditshme.

Nga fillimi i viteve 50. përshpejtuesit janë bërë mjeti kryesor për studimin e grimcave elementare. Në vitet 70. energjitë e grimcave të përshpejtuara në përshpejtuesit arritën në dhjetëra e qindra miliarda elektron volt (GeV). Dëshira për të rritur energjitë e grimcave është për faktin se energjitë e larta hapin mundësinë e studimit të strukturës së materies në distanca më të shkurtra, aq më e lartë është energjia e grimcave që përplasen. Përshpejtuesit rritën ndjeshëm shkallën e marrjes së të dhënave të reja dhe në një kohë të shkurtër zgjeruan dhe pasuruan njohuritë tona për vetitë e mikrobotës. Përdorimi i përshpejtuesve për të studiuar grimcat e çuditshme bëri të mundur studimin më të detajuar të vetive të tyre, në veçanti veçorive të kalbjes së tyre dhe së shpejti çoi në një zbulim të rëndësishëm: sqarimin e mundësisë së ndryshimit të karakteristikave të disa mikroproceseve gjatë operimit. i pasqyrimit të pasqyrës - të ashtuquajturat. shkelje e hapësirave, barazi (1956). Vënia në punë e përshpejtuesve të protoneve me energji prej miliarda elektron volt bëri të mundur zbulimin e antigrimcave të rënda: antiprotonin (1955), antineutronin (1956) dhe hiperonet antisigma (1960). Në vitin 1964, u zbulua hiperoni më i rëndë W - (me një masë prej rreth dy masash protonike).

Rezonancat.

Në vitet 1960 Një numër i madh grimcash jashtëzakonisht të paqëndrueshme (në krahasim me grimcat e tjera elementare të paqëndrueshme), të quajtura "rezonanca", u zbuluan në përshpejtuesit. Masat e shumicës së rezonancave tejkalojnë masën e një protoni. E para prej tyre, D1 (1232), ka qenë i njohur që nga viti 1953. përbëjnë pjesën më të madhe të grimcave elementare.

Ndërveprimi i fortë i një mezoni p dhe një nukleoni në një gjendje me një spin total izotopik 3/2 dhe një moment 3/2 çon në shfaqjen e një gjendje të ngacmuar të nukleonit. Kjo gjendje zbërthehet në një nukleon dhe një p meson brenda një kohe shumë të shkurtër (në rendin prej 10 -23 s). Meqenëse kjo gjendje ka numra kuantikë të mirëpërcaktuar, si dhe grimca elementare të qëndrueshme, ishte e natyrshme ta quanim atë një grimcë. Për të theksuar jetëgjatësinë shumë të shkurtër të kësaj gjendjeje, ajo dhe gjendjet e ngjashme jetëshkurtra u quajtën rezonante.

Rezonanca e nukleonit, e zbuluar nga Fermi në vitin 1952, u quajt më vonë izobari D 3/2 3/2 (për të nënvizuar faktin se spin-i dhe rrotullimi izotopik i izobarit D janë 3/2). Meqenëse jetëgjatësia e rezonancave është e parëndësishme, ato nuk mund të vëzhgohen drejtpërdrejt, në të njëjtën mënyrë siç vëzhgohen protoni "i zakonshëm", p-mezonet dhe muonet (nga gjurmët e tyre në pajisjet e pista). Rezonancat zbulohen nga sjellja karakteristike e seksioneve tërthore të shpërndarjes së grimcave, si dhe nga studimi i vetive të produkteve të tyre të kalbjes. Shumica e grimcave elementare të njohura i përkasin grupit të rezonancave.

Zbulimi i rezonancës D kishte një rëndësi të madhe për fizikën e grimcave elementare.

Vini re se gjendjet e ngacmuara ose rezonancat nuk janë objekte absolutisht të reja të fizikës. Më parë, ato ishin të njohura në fizikën atomike dhe bërthamore, ku ekzistenca e tyre lidhet me natyrën e përbërë të atomit (i formuar nga bërthama dhe elektronet) dhe bërthama (i formuar nga protonet dhe neutronet). Sa i përket vetive të gjendjeve atomike, ato përcaktohen vetëm nga bashkëveprimi elektromagnetik. Probabiliteti i ulët i zbërthimit të tyre shoqërohet me vogëlsinë e konstantës së ndërveprimit elektromagnetik.

Gjendjet e ngacmuara ekzistojnë jo vetëm për nukleonin (në këtë rast flitet për gjendjet izobarike të tij), por edhe për mesonin p (në këtë rast flitet për rezonanca mezonore).

"Arsyeja e shfaqjes së rezonancave në ndërveprime të forta është e pakuptueshme," shkruan Feynman, "në fillim, teoricienët nuk supozuan se rezonancat ekzistojnë në teorinë e fushës me një konstante të madhe bashkimi. Më vonë, ata kuptuan se nëse konstanta e bashkimit është mjaft e madhe. , atëherë lindin gjendjet isobarike. Megjithatë, kuptimi i vërtetë i faktit të ekzistencës së rezonancave për teorinë themelore mbetet i paqartë."

Dokumente të ngjashme

Sfondi i shekullit të 17-të. Historia dhe koncepti i teknologjisë. Disa zbulime që dëshmojnë për revolucionin shkencor dhe teknologjik (NTR). Fenomene të reja në kulturën e shekujve 19-20. Problemet globale të shekullit 20-21. Karakteristikat e revolucionit shkencor dhe teknologjik, kuptimi dhe koncepti.

abstrakt, shtuar 22.06.2009


Konceptet themelore dhe lënda e sociologjisë, pikat kryesore të zhvillimit të saj. Sociologët e parë të antikitetit. Sociologjia klasike perëndimore. Karakteristikat e mësimeve të Comte dhe Durkheim. Historia e zhvillimit të sociologjisë në Rusi. Lidershipi politik dhe llojet kryesore të tij.

test, shtuar 27/07/2011


Koncepti i informalëve dhe tiparet kryesore të tyre. Historia e lëvizjes informale rinore, arsyet e shfaqjes së saj. Funksionet kryesore të shoqatave amatore. Klasifikimi i informalëve, aktivitetet e tyre, orientimi social, pikëpamjet, detyrat dhe qëllimet.

abstrakt, shtuar më 16.08.2011


Historia e lëvizjes informale, arsyet e shfaqjes së saj. Lëvizjet joformale: karakteristikat e përgjithshme dhe tendencat kryesore të zhvillimit. Informalët e orientimit artistik. Sfera e kulturës së jashtme. Klasifikimi dhe tiparet kryesore të informalëve.

abstrakt, shtuar më 22.01.2011


Specifikat dhe historia e zhvillimit të organizatave jofitimprurëse ruse. Formimi i sistemit rus të legjislacionit për organizatat jofitimprurëse. Klasifikimi i nënoficerëve, qëllimet dhe parimet e veprimtarisë së tyre. Parimi i përfitimit publik. Tipologjia e OJQ-ve ruse.

test, shtuar 27.12.2016


Thelbi dhe shkaqet kryesore të vetëvrasjes, një vlerësim i përhapjes së këtij fenomeni negativ në botën moderne. Historia e formimit dhe zhvillimit të konceptit të vetëvrasjes në Japoni, justifikimi i tij moral, etik, kulturor. Fenomeni kamikaze.

punim afatshkurtër, shtuar 29.12.2013


Cilat janë aftësitë dhe klasifikimi i tyre. Nivelet e zhvillimit të aftësive: aftësi, dhunti, talent, gjeni; origjina e tyre: gjenetike dhe e fituar. Kushtet për zhvillimin e aftësive. Ndikimi i aftësive në zgjedhjen e një profesioni.

punë shkencore, shtuar 25.02.2009


Historia e lodrave "sovjetike". Aspekti sociologjik i shqyrtimit të lodrave. Vlera e lodrave moderne për shoqërinë. Ju duhet të shikoni se çfarë dhe si luan fëmija juaj. Bëhuni shembull për fëmijën tuaj. Rriteni me të.

punim afatshkurtër, shtuar 23.06.2006


Shoqatat amatore, marrëdhëniet e tyre me institucionet shtetërore dhe publike. Historia dhe shkaqet e lëvizjes informale. Koncepti, detyrat, qëllimet, kultura e jashtme, simbolet, tiparet kryesore dhe klasifikimi i informalëve.

abstrakt, shtuar 03/04/2013


Vetëvrasja si fenomen social, identifikimi i shkaqeve kryesore të saj, shkalla e përhapjes në shoqërinë moderne, historia dhe fazat e kërkimit. Problemi i vetëvrasjes sipas Emile Durkheim, klasifikimi i llojeve të tyre. Zbatimi i parimeve të "sociologjisë".