Huvudverktyget för studiet av elementarpartiklar. Historien om upptäckten av elementarpartiklar: atomer, hadroner, kvarkar, strängar. En foton är ett "animerat" Planck-ljuskvantum, d.v.s. kvantum av ljus som bär momentum

Introduktion

1. Upptäckt av elementarpartiklar

2. Teorier om elementarpartiklar

2.1. Kvantelektrodynamik (QED)

2.2. Quark teori

2.3. Teori om den elektrosvaga interaktionen

2.4. kvantkromodynamik

Slutsats

Litteratur

Introduktion.

Under mitten och andra hälften av 1900-talet erhölls verkligt fantastiska resultat inom de grenar av fysiken som är sysselsatta med studiet av materiens grundläggande struktur. Först och främst manifesterade detta sig i upptäckten av en hel mängd nya subatomära partiklar. De brukar kallas elementarpartiklar, men alla är inte riktigt elementära. Många av dem består i sin tur av ännu fler elementarpartiklar.

Subatomära partiklars värld är verkligen mångfaldig. Dessa inkluderar protoner och neutroner som utgör atomkärnor, samt elektroner som kretsar runt kärnorna. Men det finns också partiklar som praktiskt taget inte förekommer i materien som omger oss. Deras livslängd är extremt kort, det är den minsta bråkdelen av en sekund. Efter denna extremt korta tid sönderfaller de till vanliga partiklar. Det finns förvånansvärt många sådana instabila kortlivade partiklar: flera hundra av dem är redan kända.

På 1960- och 1970-talen var fysiker helt förvirrade över överflödet, variationen och ovanligheten hos nyupptäckta subatomära partiklar. Det verkade inte finnas något slut på dem. Det är helt obegripligt varför så många partiklar. Är dessa elementarpartiklar kaotiska och slumpmässiga fragment av materia? Eller kanske de har nyckeln till att förstå universums struktur? Fysikens utveckling under de följande decennierna visade att det inte råder några tvivel om existensen av en sådan struktur. I slutet av nittonhundratalet. fysiken börjar förstå vad som är betydelsen av var och en av elementarpartiklarna.

Subatomära partiklars värld har en djup och rationell ordning. Denna ordning är baserad på grundläggande fysiska interaktioner.

1. Upptäckt av elementarpartiklar.

Upptäckten av elementarpartiklar var ett naturligt resultat av de allmänna framstegen i studiet av materiens struktur, som uppnåddes av fysiken i slutet av 1800-talet. Den förbereddes genom omfattande studier av atomernas optiska spektra, studiet av elektriska fenomen i vätskor och gaser, upptäckten av fotoelektricitet, röntgenstrålar, naturlig radioaktivitet, vilket vittnade om existensen av en komplex struktur av materia.

Historiskt sett var den första upptäckta elementarpartikeln elektronen - bäraren av den negativa elementära elektriska laddningen i atomer. 1897 slog J. J. Thomson fast att den s.k. katodstrålar bildas av en ström av små partiklar, som kallades elektroner. År 1911 upptäckte E. Rutherford, som passerade alfapartiklar från en naturlig radioaktiv källa genom tunna folier av olika ämnen, att den positiva laddningen i atomer är koncentrerad i kompakta formationer - kärnor, och 1919 upptäckte han protoner - partiklar med positiv enhetsladdning och en massa 1840 gånger massan av en elektron. En annan partikel som utgör kärnan, neutronen, upptäcktes 1932 av J. Chadwick när han studerade växelverkan mellan a-partiklar och beryllium. Neutronen har en massa nära protonens, men har ingen elektrisk laddning. Upptäckten av neutronen fullbordade identifieringen av partiklar - de strukturella elementen i atomer och deras kärnor.

Slutsatsen om förekomsten av en elektromagnetisk fältpartikel - en foton - kommer från M. Plancks arbete (1900). Om man antar att energin från den elektromagnetiska strålningen från en absolut svart kropp kvantiseras, fick Planck den korrekta formeln för strålningsspektrumet. A. Einstein (1905) utvecklade Plancks idé och postulerade att elektromagnetisk strålning (ljus) faktiskt är en ström av individuella kvanta (fotoner), och på grundval av detta förklarade han mönstren för den fotoelektriska effekten. Direkta experimentella bevis för förekomsten av fotonen gavs av R. Millikan (1912-1915) och A. Compton (1922).

Upptäckten av neutrinon, en partikel som knappast interagerar med materia, härstammar från den teoretiska gissningen av W. Pauli (1930), som gjorde det möjligt, genom att anta födelsen av en sådan partikel, att eliminera svårigheter med lagen om bevarande av energi i processerna för beta-sönderfall av radioaktiva kärnor. Förekomsten av neutriner bekräftades experimentellt först 1953 (F. Reines och K. Cowen, USA).

Från 30-talet till tidigt 50-tal. studiet av elementarpartiklar var nära förknippat med studiet av kosmiska strålar. År 1932, i sammansättningen av kosmiska strålar, upptäckte K. Anderson positronen (e +) - en partikel med massan av en elektron, men med en positiv elektrisk laddning. Positronen var den första antipartikeln som upptäcktes. Existensen av e+ följde direkt av den relativistiska teorin om elektronen som utvecklades av P. Dirac (1928-31) strax före upptäckten av positronen. År 1936 upptäckte de amerikanska fysikerna K. Anderson och S. Neddermeyer muoner (båda tecken på elektrisk laddning) i studiet av osmiska strålar - partiklar med en massa på cirka 200 elektronmassor, men i övrigt förvånansvärt lika i egenskaper som e-, e. +.

År 1947, även inom kosmisk strålning, upptäckte S. Powells grupp p+ och p- mesoner med en massa av 274 elektronmassor, som spelar en viktig roll i interaktionen mellan protoner och neutroner i kärnor. Förekomsten av sådana partiklar föreslogs av H. Yukawa 1935.

Sent 40-tal - tidigt 50-tal. märktes av upptäckten av en stor grupp partiklar med ovanliga egenskaper, kallade "konstiga". De första partiklarna i denna grupp, K + - och K - mesoner, L-, S + -, S- -, X- - hyperoner, upptäcktes i kosmiska strålar, efterföljande upptäckter av konstiga partiklar gjordes vid acceleratorer - installationer som skapar intensiva flöden av snabba protoner och elektroner. När de kolliderar med materia ger accelererade protoner och elektroner upphov till nya elementarpartiklar, som blir föremål för studier.

Från början av 50-talet. acceleratorer har blivit det främsta verktyget för att studera elementarpartiklar. På 70-talet. energierna hos de partiklar som spreds i acceleratorer uppgick till tiotals och hundratals miljarder elektronvolt (GeV). Önskan att öka partiklarnas energier beror på att höga energier öppnar möjligheten att studera materiens struktur på de kortare avstånden, desto högre energi hos de kolliderande partiklarna. Acceleratorer ökade avsevärt hastigheten för att erhålla ny data och på kort tid utökade och berikade vår kunskap om mikrovärldens egenskaper. Användningen av acceleratorer för att studera konstiga partiklar gjorde det möjligt att studera deras egenskaper mer i detalj, i synnerhet egenskaperna hos deras förfall, och ledde snart till en viktig upptäckt: klarläggandet av möjligheten att ändra egenskaperna hos vissa mikroprocesser under spegelreflektion operation - den så kallade. kränkning av utrymmen, paritet (1956). Idrifttagandet av protonacceleratorer med energier på miljarder elektronvolt gjorde det möjligt att upptäcka tunga antipartiklar: antiprotonen (1955), antineutronen (1956) och antisigmahyperonerna (1960). 1964 upptäcktes det tyngsta hyperonet W- (med en massa på cirka två protonmassor). På 1960-talet vid acceleratorer upptäcktes ett stort antal extremt instabila (jämfört med andra instabila elementarpartiklar) partiklar, som kallades "resonanser". Massorna för de flesta resonanser överstiger protonens massa. Den första av dem D1 (1232) har varit känd sedan 1953. Det visade sig att resonanser utgör huvuddelen av elementarpartiklar.

1962 fann man att det finns två olika neutriner: elektron och myon. 1964, i neutrala K-mesons sönderfall, upptäcktes den så kallade icke-konserveringen. kombinerad paritet (införd av Li Tsung-tao och Yang Chen-ning och oberoende av L. D. Landau 1956), vilket innebär behovet av att revidera de vanliga synpunkterna på beteendet hos fysiska processer i tidsreflektionsoperationen.

1974 upptäcktes massiva (3-4 protonmassor) och samtidigt relativt stabila y-partiklar, med en livslängd ovanligt lång för resonanser. De visade sig vara nära besläktade med en ny familj av elementarpartiklar - "charmerade", vars första representanter (D0, D+, Lс) upptäcktes 1976. 1975, den första informationen om förekomsten av en tung analog av elektronen och myonen (tung lepton t) erhölls. 1977 upptäcktes Ў-partiklar med en massa i storleksordningen tio protonmassor.

Under åren som har gått sedan upptäckten av elektronen har ett stort antal olika mikropartiklar av materia avslöjats. Elementarpartiklarnas värld visade sig vara ganska komplicerad. Egenskaperna hos de upptäckta elementarpartiklarna visade sig vara oväntade i många avseenden. För att beskriva dem, utöver de egenskaper som lånats från klassisk fysik, såsom elektrisk laddning, massa, rörelsemängd, var det nödvändigt att introducera många nya speciella egenskaper, i synnerhet för att beskriva konstiga elementarpartiklar - konstighet (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), "charmerade" elementarpartiklar - "charm" (amerikanska fysiker J. Bjorken, S. Glashow, 1964); redan namnen på ovanstående egenskaper återspeglar den ovanliga karaktären hos egenskaperna hos elementarpartiklar som de beskriver.

Studiet av materiens inre struktur och egenskaperna hos elementarpartiklar från dess första steg åtföljdes av en radikal revidering av många etablerade koncept och idéer. Regelbundenheterna som styrde materiens beteende i det lilla visade sig vara så olika från den klassiska mekanikens och elektrodynamikens regelbundenheter att de krävde helt nya teoretiska konstruktioner för sin beskrivning.

Och de önskade värdena. Sekvensen av åtgärder som måste utföras för att flytta från de ursprungliga data till de önskade värdena kallas en algoritm. 2. Historisk utveckling av elementarpartikelmodeller 2.1 Tre stadier i utvecklingen av elementarpartikelfysik Steg ett. Från elektronen till positronen: 1897-1932 (Elementarpartiklar - "Demokrits atomer" på ett djupare plan) När den grekiska...

Ett begränsat antal fenomen: Newtons mekanik, eller ett långt ifrån optimalt eller perfekt skapande av teknik: Titanic liner, Tu-144 flygplan, Concorde, kärnkraftverket i Tjernobyl, rymdfarkoster i Shuttle-serien och mycket, mycket mer. 3. Utveckling av ett systematiskt tillvägagångssätt inom vetenskapen 3.1 Tidiga försök att systematisera fysisk kunskap Det första riktigt framgångsrika försöket att systematisera kunskap om ...

PLANEN

Introduktion

1. Upptäckt av elementarpartiklar

2. Teorier om elementarpartiklar

2.1. Kvantelektrodynamik (QED)

2.2. Quark teori

2.3. Teori om den elektrosvaga interaktionen

2.4. kvantkromodynamik

Slutsats

Litteratur

Introduktion.

Under mitten och andra hälften av 1900-talet erhölls verkligt fantastiska resultat inom de grenar av fysiken som är sysselsatta med studiet av materiens grundläggande struktur. Först och främst manifesterade detta sig i upptäckten av en hel mängd nya subatomära partiklar. De brukar kallas elementarpartiklar, men alla är inte riktigt elementära. Många av dem består i sin tur av ännu fler elementarpartiklar.

Subatomära partiklars värld är verkligen mångfaldig. Dessa inkluderar protoner och neutroner som utgör atomkärnor, samt elektroner som kretsar runt kärnorna. Men det finns också partiklar som praktiskt taget inte förekommer i materien som omger oss. Deras livslängd är extremt kort, det är den minsta bråkdelen av en sekund. Efter denna extremt korta tid sönderfaller de till vanliga partiklar. Det finns förvånansvärt många sådana instabila kortlivade partiklar: flera hundra av dem är redan kända.

På 1960- och 1970-talen var fysiker helt förvirrade över överflödet, variationen och ovanligheten hos nyupptäckta subatomära partiklar. Det verkade inte finnas något slut på dem. Det är helt obegripligt varför så många partiklar. Är dessa elementarpartiklar kaotiska och slumpmässiga fragment av materia? Eller kanske de har nyckeln till att förstå universums struktur? Fysikens utveckling under de följande decennierna visade att det inte råder några tvivel om existensen av en sådan struktur. I slutet av nittonhundratalet. fysiken börjar förstå vad som är betydelsen av var och en av elementarpartiklarna.

Subatomära partiklars värld har en djup och rationell ordning. Denna ordning är baserad på grundläggande fysiska interaktioner.

1. Upptäckt av elementarpartiklar.

Upptäckten av elementarpartiklar var ett naturligt resultat av de allmänna framstegen i studiet av materiens struktur, som uppnåddes av fysiken i slutet av 1800-talet. Den förbereddes genom omfattande studier av atomernas optiska spektra, studiet av elektriska fenomen i vätskor och gaser, upptäckten av fotoelektricitet, röntgenstrålar, naturlig radioaktivitet, vilket vittnade om existensen av en komplex struktur av materia.

Historiskt sett var den första upptäckta elementarpartikeln elektronen - bäraren av den negativa elementära elektriska laddningen i atomer. 1897 slog J. J. Thomson fast att den s.k. katodstrålar bildas av en ström av små partiklar, som kallades elektroner. År 1911 upptäckte E. Rutherford, som passerade alfapartiklar från en naturlig radioaktiv källa genom tunna folier av olika ämnen, att den positiva laddningen i atomer är koncentrerad i kompakta formationer - kärnor, och 1919 upptäckte han protoner - partiklar med positiv enhetsladdning och en massa 1840 gånger massan av en elektron. En annan partikel som utgör kärnan, neutronen, upptäcktes 1932 av J. Chadwick när han studerade växelverkan mellan a-partiklar och beryllium. Neutronen har en massa nära protonens, men har ingen elektrisk laddning. Upptäckten av neutronen fullbordade identifieringen av partiklar - de strukturella elementen i atomer och deras kärnor.

Slutsatsen om förekomsten av en elektromagnetisk fältpartikel - en foton - kommer från M. Plancks arbete (1900). Om man antar att energin från den elektromagnetiska strålningen från en absolut svart kropp kvantiseras, fick Planck den korrekta formeln för strålningsspektrumet. A. Einstein (1905) utvecklade Plancks idé och postulerade att elektromagnetisk strålning (ljus) faktiskt är en ström av individuella kvanta (fotoner), och på grundval av detta förklarade han mönstren för den fotoelektriska effekten. Direkta experimentella bevis för förekomsten av fotonen gavs av R. Millikan (1912-1915) och A. Compton (1922).

Upptäckten av neutrinon, en partikel som knappast interagerar med materia, härstammar från den teoretiska gissningen av W. Pauli (1930), som gjorde det möjligt, genom att anta födelsen av en sådan partikel, att eliminera svårigheter med lagen om bevarande av energi i processerna för beta-sönderfall av radioaktiva kärnor. Förekomsten av neutriner bekräftades experimentellt först 1953 (F. Reines och K. Cowen, USA).

Från 30-talet till tidigt 50-tal. studiet av elementarpartiklar var nära förknippat med studiet av kosmiska strålar. År 1932, i sammansättningen av kosmiska strålar, upptäckte K. Anderson positronen (e +) - en partikel med massan av en elektron, men med en positiv elektrisk laddning. Positronen var den första antipartikeln som upptäcktes. Existensen av e+ följde direkt av den relativistiska teorin om elektronen som utvecklades av P. Dirac (1928-31) strax före upptäckten av positronen. År 1936 upptäckte de amerikanska fysikerna K. Anderson och S. Neddermeyer muoner (båda tecken på elektrisk laddning) i studiet av osmiska strålar - partiklar med en massa på cirka 200 elektronmassor, men i övrigt förvånansvärt lika i egenskaper som e-, e. +.

År 1947, även inom kosmisk strålning, upptäckte S. Powells grupp p+ och p- mesoner med en massa av 274 elektronmassor, som spelar en viktig roll i interaktionen mellan protoner och neutroner i kärnor. Förekomsten av sådana partiklar föreslogs av H. Yukawa 1935.

Sent 40-tal - tidigt 50-tal. märktes av upptäckten av en stor grupp partiklar med ovanliga egenskaper, kallade "konstiga". De första partiklarna i denna grupp, K + - och K - mesoner, L-, S + -, S- -, X- - hyperoner, upptäcktes i kosmiska strålar, efterföljande upptäckter av konstiga partiklar gjordes vid acceleratorer - installationer som skapar intensiva flöden av snabba protoner och elektroner. När de kolliderar med materia ger accelererade protoner och elektroner upphov till nya elementarpartiklar, som blir föremål för studier.

Från början av 50-talet. acceleratorer har blivit det främsta verktyget för att studera elementarpartiklar. På 70-talet. energierna hos de partiklar som spreds i acceleratorer uppgick till tiotals och hundratals miljarder elektronvolt (GeV). Önskan att öka partiklarnas energier beror på att höga energier öppnar möjligheten att studera materiens struktur på de kortare avstånden, desto högre energi hos de kolliderande partiklarna. Acceleratorer ökade avsevärt hastigheten för att erhålla ny data och på kort tid utökade och berikade vår kunskap om mikrovärldens egenskaper. Användningen av acceleratorer för att studera konstiga partiklar gjorde det möjligt att studera deras egenskaper mer i detalj, i synnerhet egenskaperna hos deras förfall, och ledde snart till en viktig upptäckt: klarläggandet av möjligheten att ändra egenskaperna hos vissa mikroprocesser under spegelreflektion operation - den så kallade. kränkning av utrymmen, paritet (1956). Idrifttagandet av protonacceleratorer med energier på miljarder elektronvolt gjorde det möjligt att upptäcka tunga antipartiklar: antiprotonen (1955), antineutronen (1956) och antisigmahyperonerna (1960). 1964 upptäcktes det tyngsta hyperonet W- (med en massa på cirka två protonmassor). På 1960-talet vid acceleratorer upptäcktes ett stort antal extremt instabila (jämfört med andra instabila elementarpartiklar) partiklar, som kallades "resonanser". Massorna för de flesta resonanser överstiger protonens massa. Den första av dem D1 (1232) har varit känd sedan 1953. Det visade sig att resonanser utgör huvuddelen av elementarpartiklar.

1962 fann man att det finns två olika neutriner: elektron och myon. 1964, i neutrala K-mesons sönderfall, upptäcktes den så kallade icke-konserveringen. kombinerad paritet (införd av Li Tsung-tao och Yang Chen-ning och oberoende av L. D. Landau 1956), vilket innebär behovet av att revidera de vanliga synpunkterna på beteendet hos fysiska processer i tidsreflektionsoperationen.

1974 upptäcktes massiva (3-4 protonmassor) och samtidigt relativt stabila y-partiklar, med en livslängd ovanligt lång för resonanser. De visade sig vara nära besläktade med en ny familj av elementarpartiklar - "charmerade", vars första representanter (D0, D+, Lс) upptäcktes 1976. 1975, den första informationen om förekomsten av en tung analog av elektronen och myonen (tung lepton t) erhölls. 1977 upptäcktes Ў-partiklar med en massa i storleksordningen tio protonmassor.

Under åren som har gått sedan upptäckten av elektronen har ett stort antal olika mikropartiklar av materia avslöjats. Elementarpartiklarnas värld visade sig vara ganska komplicerad. Egenskaperna hos de upptäckta elementarpartiklarna visade sig vara oväntade i många avseenden. För att beskriva dem, utöver de egenskaper som lånats från klassisk fysik, såsom elektrisk laddning, massa, rörelsemängd, var det nödvändigt att introducera många nya speciella egenskaper, i synnerhet för att beskriva konstiga elementarpartiklar - konstighet (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), "charmerade" elementarpartiklar - "charm" (amerikanska fysiker J. Bjorken, S. Glashow, 1964); redan namnen på ovanstående egenskaper återspeglar den ovanliga karaktären hos egenskaperna hos elementarpartiklar som de beskriver.

Studiet av materiens inre struktur och egenskaperna hos elementarpartiklar från dess första steg åtföljdes av en radikal revidering av många etablerade koncept och idéer. Regelbundenheterna som styrde materiens beteende i det lilla visade sig vara så olika från den klassiska mekanikens och elektrodynamikens regelbundenheter att de krävde helt nya teoretiska konstruktioner för sin beskrivning.

2. Teorier om elementarpartiklar

2.1. Kvantelektrodynamik (QED)

Kvantmekaniken gör det möjligt att beskriva elementarpartiklars rörelse, men inte deras generering eller förintelse, dvs den används endast för att beskriva system med ett konstant antal partiklar. En generalisering av kvantmekaniken är kvantfältteori - det är en kvantteori av system med ett oändligt antal frihetsgrader (fysiska fält). Behovet av en sådan teori genereras av kvantvågdualism, förekomsten av vågegenskaper i alla partiklar. I kvantfältteorin presenteras interaktionen som ett resultat av utbytet av fältkvanta.

I mitten av nittonhundratalet. teorin om elektromagnetisk interaktion skapades - kvantelektrodynamik av QED är en teori om interaktion mellan fotoner och elektroner, genomtänkt till minsta detalj och utrustad med en perfekt matematisk apparat. QED bygger på beskrivningen av elektromagnetisk interaktion med hjälp av konceptet virtuella fotoner - dess bärare. Denna teori uppfyller de grundläggande principerna för både kvantteorin och relativitetsteorin.

I centrum för teorin är analysen av emission eller absorption av en foton av en laddad partikel, såväl som förintelsen av ett elektron-positronpar till en foton eller genereringen av ett sådant par av fotoner.

Om i den klassiska beskrivningen elektroner representeras som en solid punktkula, så betraktas i QED det elektromagnetiska fältet som omger elektronen som ett moln av virtuella fotoner som obevekligt följer elektronen och omger den med energikvanta. Efter att en elektron avger en foton, skapar den en (virtuell) elektron-positron-por som kan förintas och bilda en ny foton. Den senare kan absorberas av den ursprungliga fotonen, men den kan ge upphov till ett nytt par, och så vidare. Således är elektronen täckt av ett moln av virtuella fotoner, elektroner och positroner, som befinner sig i ett tillstånd av dynamisk jämvikt. Fotoner dyker upp och försvinner mycket snabbt, och elektroner rör sig i rymden längs inte helt bestämda banor. Det är fortfarande möjligt att på ett eller annat sätt bestämma banans start- och slutpunkter - före och efter spridning, men själva banan i intervallet mellan början och slutet av rörelsen förblir odefinierad.

Beskrivningen av interaktionen med hjälp av en bärarpartikel ledde till en utvidgning av begreppet foton. Begreppen en verklig (ett kvantum av ljus som är synligt för oss) och en virtuell (övergående, spöklik) foton introduceras, som bara "ses" av laddade partiklar som genomgår spridning.

För att testa om teorin stämmer överens med verkligheten fokuserade fysiker på två effekter av särskilt intresse. Den första gällde energinivåerna för väteatomen, den enklaste atomen. Enligt QED bör nivåerna vara något förskjutna i förhållande till den position de skulle inta i frånvaro av virtuella fotoner. Det andra avgörande testet av QED gällde en extremt liten korrigering av elektronens eget magnetiska moment. Teoretiska och experimentella resultat av QED-verifiering sammanfaller med högsta noggrannhet - mer än nio decimaler. En sådan slående korrespondens ger rätten att betrakta QED som den mest perfekta av de existerande naturvetenskapliga teorierna.

Efter en liknande triumf antogs QED som modellen för kvantbeskrivningen av tre andra grundläggande interaktioner. Naturligtvis måste fälten associerade med andra interaktioner motsvara andra bärarpartiklar.

2.2. Quark teori

Teorin om kvarkar är teorin om strukturen hos hadroner. Grundidén med denna teori är mycket enkel. Alla hadroner är byggda av mindre partiklar som kallas kvarkar. Det betyder att kvarkar är mer elementarpartiklar än hadroner. Kvarkar bär en bråkdel av elektrisk laddning: de har en laddning som är antingen -1/3 eller +2/3 av den grundläggande enheten, laddningen av elektronen. En kombination av två och tre kvarkar kan ha en total laddning lika med noll eller ett. Alla kvarkar har spin S, så de är fermioner. Grundarna av teorin om kvarkar Gell-Mann och Zweig, att ta hänsyn till alla kända på 60-talet. hadroner introducerade tre varianter (smaker) av kvarkar: u (uppifrån), d (nedifrån) och s (från konstigt - konstigt).

Kvarkar kan kombineras med varandra på ett av två möjliga sätt: antingen i trillingar eller i kvark-antikvarkpar. Tre kvarkar utgör relativt tunga partiklar - baryoner, vilket betyder "tunga partiklar". De mest kända baryonerna är neutronen och protonen. Lättare kvark-antikvarkpar bildar partiklar som kallas mesoner - "mellanliggande partiklar". Till exempel består en proton av två u- och en d-kvarkar (uud), och en neutron består av två d-kvarkar och en u-kvarkar (udd). För att denna "trio" av kvarkar inte ska förfalla, det behövs en kraft som håller dem, ett visst "lim".

Det visade sig att den resulterande interaktionen mellan neutroner och protoner i kärnan helt enkelt är en resteffekt av en mer kraftfull interaktion mellan kvarkarna själva. Detta förklarade varför den starka kraften verkar så komplicerad. När en proton "klibbar" till en neutron eller en annan proton, är sex kvarkar involverade i interaktionen, som var och en interagerar med alla andra. En betydande del av krafterna går åt till stark limning av en trio kvarkar, och en liten del går åt till att binda två trios kvarkar till varandra. (Men det visade sig att kvarkar också deltar i svaga växelverkan. En svag växelverkan kan ändra smaken på en kvark. Det är precis så här sönderfallet av en neutron sker. En av d-kvarkarna i neutronen förvandlas till en u-kvark , och överskottsladdningen bär bort elektronen som föds samtidigt. På samma sätt leder ändrad smak, svag interaktion till att andra hadroner sönderfaller.)

Det faktum att alla kända hadroner kan erhållas från olika kombinationer av de tre grundpartiklarna var en triumf för teorin om kvarkar. Men på 70-talet. nya hadroner upptäcktes (psi-partiklar, upsilon meson, etc.). Detta gav ett slag mot den första versionen av teorin om kvarkar, eftersom det inte fanns plats för en enda ny partikel i den. Alla möjliga kombinationer av kvarkar och deras antikvarkar är redan uttömda.

Problemet löstes genom att introducera tre nya smaker. De fick namnet - charm (charm), eller med; b-kvark (nedifrån - botten, och oftare skönhet - skönhet eller charm); därefter introducerades en annan smak - t (från topp - topp).

Kvarkar hålls samman av en stark kraft. Bärarna av den starka interaktionen är gluoner (färgladdningar). Området för elementarpartikelfysik som studerar interaktionen mellan kvarkar och gluoner kallas kvantkromodynamik. Eftersom kvantelektrodynamik är teorin om elektromagnetisk interaktion, så är kvantkromodynamik teorin om stark interaktion.

Även om det finns ett visst missnöje med kvarkschemat, anser de flesta fysiker att kvarkar är verkligt elementära partiklar - punktlika, odelbara och utan inre struktur. I detta avseende liknar de leptoner, och det har länge antagits att det måste finnas en djup relation mellan dessa två distinkta men strukturellt lika familjer.

Således är det mest sannolika antalet verkligt elementarpartiklar (utan att räkna bärarna av fundamentala interaktioner) i slutet av 1900-talet 48. Av dessa: leptoner (6x2) = 12 plus kvarkar (6x3)x2 = 36.

2.3. Teori om den elektrosvaga interaktionen

På 70-talet av 1900-talet ägde en enastående händelse rum inom naturvetenskapen: två interaktioner från fyra fysiker kombinerades till en. Bilden av naturens grundläggande fundament har blivit något förenklad. Elektromagnetiska och svaga interaktioner, till synes mycket olika till sin natur, visade sig i verkligheten vara två varianter av en enda sk. elektrosvag interaktion. Teorin om den elektrosvaga interaktionen påverkade den vidare utvecklingen av elementarpartikelfysiken i slutet av 1900-talet.

Huvudtanken med att konstruera denna teori var att beskriva den svaga interaktionen i termer av mätfältskonceptet, enligt vilket nyckeln till att förstå interaktionernas natur är symmetri. En av de grundläggande idéerna i fysiken under andra hälften av 1900-talet. är tron ​​att alla interaktioner endast existerar för att upprätthålla en viss uppsättning abstrakta symmetrier i naturen. Vad har symmetri med grundläggande interaktioner att göra? Vid första anblicken verkar själva antagandet om existensen av ett sådant samband paradoxalt och obegripligt.

Först och främst om vad som menas med symmetri. Det är allmänt accepterat att ett objekt har symmetri om objektet förblir oförändrat som ett resultat av en eller annan operation för att transformera det. Således är en sfär symmetrisk eftersom den ser likadan ut när den roteras genom vilken vinkel som helst från dess centrum. Elektricitetens lagar är symmetriska när det gäller att ersätta positiva laddningar med negativa och vice versa. Med symmetri menar vi alltså invarians med avseende på någon operation.

Det finns olika typer av symmetrier: geometriska, spegelvända, icke-geometriska. Bland de icke-geometriska finns de så kallade mäta symmetrier. Mätsymmetrier är abstrakta och fixeras inte direkt. De är förknippade med en förändring i nedräkningen nivå, skala eller värde någon fysisk mängd . Ett system har mätsymmetri om dess natur förblir oförändrad under denna typ av transformation. Så, till exempel inom fysiken, beror arbetet på skillnaden i höjder, och inte på den absoluta höjden; spänning - från potentialskillnaden, och inte från deras absoluta värden, etc. Symmetrier, som revisionen av förståelsen av de fyra grundläggande interaktionerna bygger på, är just av detta slag. Mättransformationer kan vara globala eller lokala. Mättransformationer som varierar från punkt till punkt är kända som "lokala" mättransformationer. Det finns ett antal lokala spårviddssymmetrier i naturen, och ett lämpligt antal fält behövs för att kompensera för dessa spårviddstransformationer. Kraftfält kan ses som ett sätt genom vilket naturen skapar sina inneboende lokala mätsymmetrier. Betydelsen av begreppet mätsymmetri ligger i det faktum att tack vare det är alla fyra grundläggande interaktioner som förekommer i naturen teoretiskt modellerade. Alla kan betraktas som mätfält.

Genom att representera den svaga interaktionen som ett mätfält, utgår fysiker från det faktum att alla partiklar som deltar i den svaga interaktionen fungerar som källor till en ny typ av fält - fältet för svaga krafter. Svagt interagerande partiklar, såsom elektroner och neutriner, bär en "svag laddning" som är analog med en elektrisk laddning och associerar dessa partiklar med ett svagt fält.

För att representera det svaga interaktionsfältet som ett mätfält, är det först nödvändigt att fastställa den exakta formen av motsvarande mätarsymmetri. Faktum är att symmetrin hos den svaga interaktionen är mycket mer komplicerad än den elektromagnetiska. När allt kommer omkring är själva mekanismen för denna interaktion mer komplex. För det första, i sönderfallet av en neutron, till exempel, deltar partiklar av minst fyra olika typer (neutron, proton, elektron och neutrino) i den svaga interaktionen. För det andra leder inverkan av svaga krafter till en förändring i deras natur (omvandlingen av vissa partiklar till andra på grund av den svaga interaktionen). Tvärtom, den elektromagnetiska interaktionen förändrar inte karaktären hos de partiklar som deltar i den.

Detta bestämmer det faktum att den svaga interaktionen motsvarar en mer komplex gaugesymmetri associerad med en förändring i partiklarnas natur. Det visade sig att det behövs tre nya kraftfält för att bibehålla symmetri här, till skillnad från ett enda elektromagnetiskt fält. En kvantbeskrivning av dessa tre fält erhölls också: det måste finnas tre nya typer av partiklar - interaktionsbärare, en för varje fält. Alla kallas tunga vektorbosoner med spin 1 och är bärare av den svaga interaktionen.

Partiklarna W + och W - är bärare av två av de tre fälten som är associerade med den svaga interaktionen. Det tredje fältet motsvarar en elektriskt neutral bärarpartikel som kallas Z-partikeln. Förekomsten av Z-partikeln innebär att den svaga interaktionen kanske inte åtföljs av överföring av elektrisk laddning.

Konceptet med spontan symmetribrott spelade en nyckelroll i skapandet av teorin om elektrosvag interaktion: inte varje lösning av ett problem måste ha alla egenskaperna för dess initiala nivå. Således kan partiklar som är helt olika vid låga energier faktiskt vara samma partikel vid höga energier, men i olika tillstånd. Baserat på idén om spontant symmetribrott, lyckades författarna till teorin om elektrosvag interaktion, Weinberg och Salam, lösa ett stort teoretiskt problem - de kombinerade till synes inkompatibla saker (en betydande massa av svaga interaktionsbärare, å ena sidan, och idén om mätinvarians, vilket antyder mätfältets långväga natur och betyder noll vilomassa av bärarpartiklar, å andra sidan) och därmed kombinerad elektromagnetism och svag interaktion i en enhetlig teori om mätfältet.

I denna teori är endast fyra fält representerade: det elektromagnetiska fältet och tre fält som motsvarar svaga interaktioner. Dessutom har ett skalärt fält (så kallade Higgs-fält) som är konstant i hela rymden införts, med vilket partiklar interagerar på olika sätt, vilket bestämmer skillnaden i deras massor. (Skalärfältets kvanta är nya elementarpartiklar med noll spin. De kallas Higgs (efter fysikern P. Higgs, som föreslog deras existens). Antalet sådana Higgs-bosoner kan nå flera tiotal. Sådana bosoner har ännu inte funnits. experimentellt upptäckt, fysiker anser att deras existens är valfri, men en perfekt teoretisk modell utan Higgs-bosoner har ännu inte hittats) Inledningsvis har W- och Z-kvanter ingen massa, men symmetribrott gör att vissa Higgspartiklar smälter samman med W- och Z-partiklar, vilket ger dem med massa.

Skillnader i egenskaperna hos elektromagnetiska och svaga interaktioner förklaras av teorin som symmetribrott. Om symmetrin inte bröts skulle båda interaktionerna vara jämförbara i storlek. Symmetribrott innebär en kraftig minskning av den svaga interaktionen. Vi kan säga att den svaga interaktionen är så liten eftersom W- och Z-partiklarna är mycket massiva. Leptoner närmar sig sällan så små avstånd (r< 1 0 n см., где n = - 1 6). Но при больших энергиях (>1 0 0 GeV), när W- och Z-partiklar kan produceras fritt, är utbytet av W- och Z-bosoner lika enkelt som utbytet av fotoner (masslösa partiklar). Skillnaden mellan fotoner och bosoner raderas.Under dessa förhållanden bör det finnas en fullständig symmetri mellan den elektromagnetiska och svaga interaktionen - den elektrosvaga interaktionen.

Testet av den nya teorin var att bekräfta förekomsten av hypotetiska W- och Z-partiklar. Deras upptäckt blev möjlig först med skapandet av mycket stora acceleratorer av den senaste typen. Upptäckten 1983 av W- och Z-partiklarna betecknade triumfen för teorin om den elektrosvaga interaktionen. Det behövdes inte längre prata om de fyra grundläggande interaktionerna. Det är tre kvar.

2.4. kvantkromodynamik

Nästa steg på vägen mot den stora föreningen av grundläggande interaktioner är sammansmältningen av den starka interaktionen med den elektrosvaga. För att göra detta är det nödvändigt att ge egenskaperna hos ett mätfält till den starka interaktionen och introducera en generaliserad idé om isotopisk symmetri. Den starka interaktionen kan ses som ett resultat av utbytet av gluoner, vilket säkerställer bindningen av kvarkar (i par eller tripletter) till hadroner.

Tanken här är följande. Varje kvark har en analog av elektrisk laddning, som fungerar som en källa till gluonfältet. Det kallades en färg (Naturligtvis har detta namn ingenting att göra med den vanliga färgen). Om det elektromagnetiska fältet genereras av endast en sorts laddning, krävdes tre olika färgladdningar för att skapa ett mer komplext gluonfält. Varje kvark är "färgad" i en av tre möjliga färger, som helt godtyckligt har kallats röd, grön och blå. Och följaktligen är antikvarkar anti-röda, anti-gröna och anti-blå.

I nästa steg utvecklas teorin om den starka interaktionen i samma linje som teorin om den svaga interaktionen. Kravet på lokal mätsymmetri (dvs invarians med avseende på färgförändringar vid varje punkt i rymden) leder till behovet av att införa kompenserande kraftfält. Totalt krävs åtta nya kompenserande kraftfält. Partiklarna som bär dessa fält är gluoner, och därför följer det av teorin att det måste finnas så många som åtta olika typer av gluoner. (Medan bäraren för den elektromagnetiska interaktionen bara är en (foton), och bärarna för den svaga interaktionen är tre.) Gluoner har noll vilomassa och spinn 1. Gluoner har också olika färger, men inte rena, utan blandade (t.ex. , blå- anti-grön). Därför åtföljs emissionen eller absorptionen av en gluon av en förändring i färgen på kvarken ("färgspel"). Så, till exempel, en röd kvarg, som förlorar en röd-anti-blå gluon, förvandlas till en blå kvarg, och en grön kvarg, som absorberar en blå-anti-grön gluon, förvandlas till en blå kvarg. I en proton, till exempel, byter tre kvarkar ständigt gluoner och ändrar färg. Sådana förändringar är dock inte godtyckliga, utan lyder en strikt regel: när som helst i tiden måste den "totala" färgen på de tre kvarkarna vara vitt ljus, d.v.s. summa "röd + grön + blå". Detta gäller även mesoner, bestående av ett kvark-antikvarkpar. Eftersom en antikvark kännetecknas av en antifärg är en sådan kombination uppenbarligen färglös ("vit"), till exempel bildar en röd kvarg i kombination med en antiröd kvarg en färglös meson.

Ur kvantkromodynamikens synvinkel (kvantfärgteori) är stark interaktion inget annat än önskan att upprätthålla en viss abstrakt symmetri av naturen: bevarandet av den vita färgen på alla hadroner samtidigt som färgen på deras beståndsdelar ändras. Kvantkromodynamik förklarar perfekt reglerna som alla kombinationer av kvarkar lyder, gluonernas interaktion med varandra (en gluon kan sönderfalla till två gluoner eller slå samman två gluoner till en - det är därför olinjära termer förekommer i gluonfältsekvationen), den komplexa struktur av en hadron, bestående av "klädd" till moln av kvarkar, etc.

Det kan vara för tidigt att utvärdera kvantkromodynamik som den sista och fullständiga teorin om den starka kraften, men dess prestationer är ändå lovande.

Slutsats.

Ursprunget för många egenskaper hos elementarpartiklar och arten av deras inneboende interaktioner förblir i stort sett oklara. Kanske kommer det att behövas mer än en omstrukturering av alla representationer och en mycket djupare förståelse av sambandet mellan egenskaperna hos mikropartiklar och de geometriska egenskaperna hos rum-tid innan teorin om elementarpartiklar kommer att byggas.

LITTERATUR

Alekseev V.P. Bildandet av mänskligheten. M., 1984. Bohr N. Atomfysik och mänsklig kunskap. M., 1961 Född M. Einsteins relativitetsteori. M., 1964.

Dorfman Ya.G. Fysikens världshistoria från början av 1800-talet till mitten av 1900-talet. M., 1979.

Kaempfer F. Vägen till modern fysik. M., 1972.

Naidysh V.M. Begrepp av modern naturvetenskap. Handledning. M., 1999.

Bazhenov L.B. Naturvetenskapsteoris struktur och funktioner. M., 1978.

Rosenthal I.L. Elementarpartiklar och universums struktur. M, 1984.

Från elektron till neutrino

Elektron

Positron

Neutrino

Från konstigheter till charm

Upptäckt av konstiga partiklar

Resonanser

"Charmerade" partiklar

Slutsats

Litteratur

Introduktion.

Under mitten och andra hälften av 1900-talet erhölls verkligt fantastiska resultat inom de grenar av fysiken som är sysselsatta med studiet av materiens grundläggande struktur. Först och främst manifesterade detta sig i upptäckten av en hel mängd nya subatomära partiklar. De brukar kallas elementarpartiklar, men alla är inte riktigt elementära. Många av dem består i sin tur av ännu fler elementarpartiklar.

Upptäckten av elementarpartiklar var ett naturligt resultat av de allmänna framstegen i studiet av materiens struktur, som uppnåddes av fysiken i slutet av 1800-talet. Den förbereddes genom omfattande studier av atomernas optiska spektra, studiet av elektriska fenomen i vätskor och gaser, upptäckten av fotoelektricitet, röntgenstrålar, naturlig radioaktivitet, vilket vittnade om existensen av en komplex struktur av materia.

Subatomära partiklars värld är verkligen mångfaldig. Dessa inkluderar protoner och neutroner som utgör atomkärnor, samt elektroner som kretsar runt kärnorna. Men det finns också partiklar som praktiskt taget inte förekommer i materien som omger oss. Deras livslängd är extremt kort, det är den minsta bråkdelen av en sekund. Efter denna extremt korta tid sönderfaller de till vanliga partiklar. Det finns ett förvånansvärt stort antal sådana instabila kortlivade partiklar: flera hundra av dem har redan varit kända.

På 1960- och 1970-talen var fysiker helt förvirrade över överflödet, variationen och ovanligheten hos nyupptäckta subatomära partiklar. Det verkade inte finnas något slut på dem. Det är helt obegripligt varför så många partiklar. Är dessa elementarpartiklar kaotiska och slumpmässiga fragment av materia? Eller kanske de har nyckeln till att förstå universums struktur? Fysikens utveckling under de följande decennierna visade att det inte råder några tvivel om existensen av en sådan struktur. I slutet av nittonhundratalet. fysiken börjar förstå vad som är meningen med var och en av elementarpartiklarna

Subatomära partiklars värld har en djup och rationell ordning. Denna ordning är baserad på grundläggande fysiska interaktioner

Elementarpartiklar i den exakta betydelsen av denna term är primära, ytterligare oupplösliga partiklar, av vilka, enligt antagandet, all materia består. Begreppet "Elementarpartiklar" i modern fysik uttrycker idén om primitiva enheter som bestämmer alla kända egenskaper hos den materiella världen, en idé som har sitt ursprung i de tidiga stadierna av bildandet av naturvetenskap och har alltid spelat en viktig roll i dess utveckling.

Begreppet "elementarpartiklar" bildades i nära anslutning till etableringen av den diskreta karaktären hos materiens struktur på mikroskopisk nivå. Upptäckt i början av 1800- och 1900-talet. de minsta bärarna av materiens egenskaper - molekyler och atomer - och fastställandet av att molekyler är uppbyggda av atomer, gjorde det för första gången möjligt att beskriva alla kända ämnen som kombinationer av ett ändligt, om än stort, antal strukturella komponenter - atomer. Den efterföljande upptäckten av närvaron av beståndsdelar av atomer - elektroner och kärnor, etableringen av kärnornas komplexa natur, som visade sig vara byggd av endast två typer av partiklar (protoner och neutroner), minskade antalet diskreta element avsevärt som bildar materiens egenskaper och gav anledning att anta att kedjan av materiens beståndsdelar slutar med diskreta strukturlösa formationer - elementarpartiklar. Ett sådant antagande är generellt sett en extrapolering av kända fakta och kan inte motiveras på något sätt. Det är omöjligt att med säkerhet hävda att partiklar som är elementära i den mening som anges ovan existerar. Protoner och neutroner, till exempel, som under lång tid ansågs vara elementära partiklar, som det visade sig, har en komplex struktur. Det är möjligt att sekvensen av materiens strukturella komponenter i grunden är oändlig. Det kan också visa sig att påståendet "består av..." i något skede av studien av materien kommer att sakna innehåll. I det här fallet måste definitionen av "elementär" som ges ovan överges. Förekomsten av elementarpartiklar är ett slags postulat, och verifiering av dess giltighet är en av fysikens viktigaste uppgifter.

Från elektron till neutrino

Elektron

Historiskt sett var den första upptäckta elementarpartikeln elektronen - bäraren av den negativa elementära elektriska laddningen i atomer

Detta är den "äldsta" elementarpartikeln. I ideologiska termer kom han in i fysiken 1881, när Helmholtz i ett tal till Faradays ära påpekade att materiens atomstruktur tillsammans med Faradays elektrolyslagar oundvikligen leder till tanken att den elektriska laddningen alltid måste vara en multipel av någon elementär laddning, d.v.s. till slutsatsen om kvantiseringen av elektrisk laddning. Bäraren av den negativa elementarladdningen, som vi nu vet, är elektronen

Maxwell, som skapade den grundläggande teorin om elektriska och magnetiska fenomen och använde på ett betydande sätt Faradays experimentella resultat, accepterade inte hypotesen om atomelektricitet.

Samtidigt bekräftades den "tillfälliga" teorin om elektronens existens 1897 i J. J. Thomsons experiment, där han identifierade de så kallade katodstrålarna med elektroner och mätte elektronens laddning och massa. Thomson kallade partiklarna i katodstrålar "kroppar" eller uratomer. Ordet "elektron" användes ursprungligen för att beteckna storleken på laddningen av "kroppen". Och först med tiden började själva partikeln kallas en elektron.

Idén om elektronen accepterades dock inte omedelbart. När J. J. Thomson, upptäckaren av elektronen, i en föreläsning på Royal Society föreslog att partiklarna av katodstrålar skulle betraktas som möjliga komponenter i atomen, trodde några av hans kollegor uppriktigt att han mystifierade dem. Planck själv medgav 1925 att han inte fullt ut trodde då, 1900, på hypotesen om elektronen

Vi kan säga det efter experimenten från Millikan, som mätte 1911. laddningar av enskilda elektroner fick denna första elementarpartikel rätten att existera

Foton

Direkt experimentellt bevis på existensen av fotonen gavs av R. Millikan 1912-1915. i sina studier av den fotoelektriska effekten, samt A. Compton 1922, som upptäckte spridningen av röntgenstrålar med en förändring i deras frekvens

En foton är på sätt och vis en speciell partikel. Faktum är att dess vilomassa, till skillnad från andra partiklar (förutom neutriner), är lika med noll. Därför ansågs det inte omedelbart vara en partikel: först trodde man att närvaron av en ändlig och icke-noll vilomassa är en obligatorisk egenskap hos en elementarpartikel

En foton är ett "animerat" Planck-ljuskvantum, det vill säga ett ljuskvantum som bär fart

Ljuskvanter introducerades av Planck 1901 för att förklara lagarna för strålning från en helt svart kropp. Men han var inte partiklar, utan bara minsta möjliga "delar" av ljusenergi av en eller annan frekvens.

Även om Plancks antagande om att kvantisera ljusets energi stod helt i strid med all klassisk teori, förstod Planck själv inte omedelbart detta. Forskaren skrev att han "... försökte på något sätt införa värdet av h i ramarna för den klassiska teorin. Men trots alla sådana försök visade sig detta värde vara mycket envis. Därefter kallades detta värde Plancks konstant (h \u003d 6 * 10 -27 erg.s)

Efter införandet av Planck-konstanten blev situationen inte tydligare.

Fotoner eller kvantor gjordes "levande" av Einsteins relativitetsteori, som 1905 visade att kvantor måste ha inte bara energi, utan också rörelsemängd, och att de är partiklar i full mening, bara speciella, eftersom deras vilomassa är noll, och de rör sig med ljusets hastighet

Så slutsatsen om förekomsten av en elektromagnetisk fältpartikel - en foton - kommer från M. Plancks arbete (1900). Om man antar att energin från den elektromagnetiska strålningen från en absolut svart kropp kvantiseras, fick Planck den korrekta formeln för strålningsspektrumet. A. Einstein (1905) utvecklade Plancks idé och postulerade att elektromagnetisk strålning (ljus) faktiskt är en ström av individuella kvanta (fotoner), och på grundval av detta förklarade mönstren för den fotoelektriska effekten.

Proton

Protonen upptäcktes av E. Rutherford 1919 i studier av växelverkan mellan alfapartiklar och atomkärnor

Mer exakt är upptäckten av protonen förknippad med upptäckten av atomkärnan. Den gjordes av Rutherford genom att bombardera kväveatomer med högenergi-alfapartiklar. Rutherford drog slutsatsen att "kväveatomens kärna sönderfaller som ett resultat av de enorma krafter som utvecklas i kollision med en snabb α-partikel, och att den frigjorda väteatomen utgör en integrerad del av kvävekärnan." 1920 döptes väteatomens kärnor till protoner av Rutherford (proton betyder på grekiska den enklaste, primära). Det fanns andra förslag på namn. Så till exempel föreslogs namnet "baron" (baros på grekiska betyder tyngd). Det betonade dock bara en egenskap hos vätekärnan - dess massa. Termen "proton" var mycket djupare och mer meningsfull, vilket speglar protonens grundläggande natur, eftersom protonen är den enklaste kärnan - kärnan i den lättaste isotopen av väte. Detta är utan tvekan en av de mest framgångsrika termerna inom elementär partikelfysik. Således är protoner partiklar med en positiv enhetsladdning och en massa 1840 gånger massan av en elektron.

Neutron

En annan partikel som utgör kärnan, neutronen, upptäcktes 1932 av J. Chadwick när han studerade växelverkan mellan alfapartiklar och beryllium. Neutronen har en massa nära protonens, men har ingen elektrisk laddning. Upptäckten av neutronen fullbordade identifieringen av partiklar - de strukturella elementen i atomer och deras kärnor

Upptäckten av isotoper klargjorde inte frågan om kärnans struktur. Vid den här tiden var bara protoner kända - vätekärnor och elektroner, och därför var det naturligt att försöka förklara existensen av isotoper med olika kombinationer av dessa positivt och negativt laddade partiklar. Man kan tro att kärnorna innehåller A-protoner, där A är masstalet och A ? Z elektroner. I detta fall sammanfaller den totala positiva laddningen med atomnumret Z

En sådan enkel bild av en homogen kärna motsade till en början inte slutsatsen om kärnans ringa storlek, som följde av Rutherfords experiment. Den "naturliga radien" för en elektron r0 \u003d e 2 /mc 2 (som erhålls genom att likställa den elektrostatiska energin e 2 /r0 för laddningen fördelad över det sfäriska skalet med elektronens mc 2 självenergi) är r0 \u003d 2,82 * 10 -15 m. En sådan elektron är tillräckligt liten för att vara inuti en kärna med en radie på 10–14 m, även om det skulle vara svårt att placera ett stort antal partiklar där. År 1920 Rutherford och andra forskare övervägde möjligheten av en stabil kombination av en proton och en elektron, som reproducerar en neutral partikel med en massa som är ungefär lika med en protons. Men på grund av avsaknaden av en elektrisk laddning skulle sådana partiklar vara svåra att upptäcka. Det är osannolikt att de också skulle kunna slå ut elektroner från metallytor, som elektromagnetiska vågor under den fotoelektriska effekten.

Det var inte förrän ett decennium senare, efter att den naturliga radioaktiviteten hade undersökts grundligt och radioaktiv strålning började användas i stor utsträckning för att orsaka artificiell omvandling av atomer, som existensen av en ny beståndsdel i kärnan fastställdes tillförlitligt. År 1930 bestrålade W. Bothe och G. Becker från universitetet i Giessen litium och beryllium med alfapartiklar och registrerade med hjälp av en geigerräknare den resulterande penetrerande strålningen. Eftersom denna strålning inte påverkades av elektriska och magnetiska fält, och den hade en hög penetrerande kraft, drog författarna slutsatsen att hård gammastrålning sänds ut. År 1932 upprepade F. Joliot och I. Curie experiment med beryllium och förde sådan genomträngande strålning genom ett paraffinblock. De fann att ovanligt högenergiprotoner emitterades från paraffinet och drog slutsatsen att gammastrålningen som passerade genom paraffinet producerade protoner som ett resultat av spridning. (1923 fann man att röntgenstrålar sprider sig på elektroner, vilket ger Compton-effekten.)

J. Chadwick upprepade experimentet. Han använde också paraffin och med hjälp av en joniseringskammare, där laddningen som genererades när elektroner slogs ut ur atomer, samlades in, mätte han intervallet för rekylprotoner.

Chadwick använde också gasformigt kväve (i en molnkammare där vattendroppar kondenserar längs spåret av en laddad partikel) för att absorbera strålning och mäta intervallet för kväverekylatomer. Genom att tillämpa lagarna för bevarande av energi och momentum på resultaten av båda experimenten, kom han till slutsatsen att den detekterade neutrala strålningen inte är gammastrålning, utan en ström av partiklar med en massa nära en protons. Chadwick visade också att kända källor till gammastrålning inte slår ut protoner.

Därmed bekräftades existensen av en ny partikel, som nu kallas neutronen.

Klyvningen av metalliskt beryllium gick till på följande sätt:

Alfa-partiklar 4 2 He (laddning 2, massnummer 4) kolliderade med berylliumkärnor (laddning 4, massnummer 9), vilket resulterade i kol och en neutron

Upptäckten av neutronen var ett viktigt steg framåt. De observerade egenskaperna hos kärnor kan nu tolkas genom att betrakta neutroner och protoner som beståndsdelar i kärnor

Neutronen är nu känd för att vara 0,1 % tyngre än protonen. Fria neutroner (utanför kärnan) genomgår radioaktivt sönderfall och förvandlas till en proton och en elektron. Detta påminner om den ursprungliga hypotesen om en sammansatt neutral partikel. Men inuti en stabil kärna är neutroner bundna till protoner och sönderfaller inte spontant.

Positron

Med början på 1930-talet och fram till 1950-talet upptäcktes nya partiklar främst i kosmiska strålar. År 1932, i deras sammansättning, upptäckte A. Anderson den första antipartikeln - positronen (e +) - en partikel med massan av en elektron, men med en positiv elektrisk laddning. Positronen var den första antipartikeln som upptäcktes. Existensen av e+ följde direkt av den relativistiska teorin om elektronen som utvecklades av P. Dirac (1928-31) strax före upptäckten av positronen. År 1936 Amerikanska fysiker K. Anderson och S. Neddermeyer upptäckte myoner (båda tecken på elektrisk laddning) i studien av kosmisk strålning - partiklar med en massa på cirka 200 elektronmassor, men i övrigt förvånansvärt lika i egenskaper som e-, e +

Positroner (positiva elektroner) kan inte existera i materien, för när de saktar ner förintas de och förbinds med negativa elektroner. I denna process, som kan betraktas som den omvända processen för parproduktion, försvinner positiva och negativa elektroner, och fotoner bildas, till vilka deras energi överförs. Vid förintelsen av en elektron och en positron bildas i de flesta fall två fotoner, mycket mindre ofta - en foton. Enkelfotonförintelse kan endast ske när elektronen är starkt bunden till kärnan; kärnans deltagande i detta fall är nödvändigt för att bevara momentum. Två-fotonförintelse, tvärtom, kan också ske med en fri elektron. Ofta sker förintelseprocessen efter att positronen nästan helt har stannat. I detta fall emitteras två fotoner med lika energier i motsatta riktningar

Positronen upptäcktes av Anderson när han studerade kosmiska strålar med molnkammarmetoden. Figuren, som är en reproduktion av ett fotografi taget av Anderson i en molnkammare, visar en positiv partikel som går in i en 0,6 cm tjock blyplatta med en rörelsemängd på 6,3 x 107 eV/s och lämnar den med en rörelsemängd på 2,3 x 107 eV /s. Man kan sätta en övre gräns för massan av denna partikel, förutsatt att den bara förlorar energi vid kollisioner. Denna gräns är 20 mig. Baserat på detta och andra liknande fotografier antog Anderson förekomsten av en positiv partikel med en massa ungefär lika med en vanlig elektrons. Denna slutsats bekräftades snart av observationer av Blackett och Occhialini i en molnkammare. Kort därefter upptäckte Curie och Joliot att positroner produceras genom omvandling av gammastrålar från radioaktiva källor och även sänds ut av artificiella radioaktiva isotoper. Eftersom fotonen, som är neutral, bildar ett par (positron och elektron), följer det av principen om bevarande av elektrisk laddning att det absoluta värdet av positronens laddning är lika med elektronens laddning

Den första kvantitativa bestämningen av positronens massa gjordes av Thibaut, som mätte förhållandet e/m med trochoidmetoden och drog slutsatsen att massorna av positronen och elektronen skiljer sig inte med mer än 15 %. Senare experiment av Spies och Zan, som använde en masspektrografisk uppställning, visade att massan av elektronen och positronen sammanfaller inom 2 %. Ännu senare mätte Dumond och hans medarbetare våglängden på förintelsestrålningen med stor noggrannhet. Precis som experimentella fel (0,2%), erhöll de ett sådant värde på våglängden, vilket bör förväntas under antagandet att positronen och elektronen har lika stora massor

Lagen om bevarande av rörelsemängd som tillämpas på processen för parproduktion visar att positroner har ett halvt heltalsspinn och därför lyder Fermi-statistiken. Det är rimligt att anta att positronens spinn är 1/2, liksom elektronens spinn

Pioner och muoner. Meson upptäckt

Upptäckten av mesonen, till skillnad från upptäckten av positronen, var inte resultatet av en enda observation, utan snarare en slutsats från en hel serie experimentella och teoretiska studier.

År 1932 visade Rossi, med hjälp av den tillfällighetsmetod som Bothe och Kolhurster föreslagit, att en känd del av den kosmiska strålningen som observeras vid havsnivån består av partiklar som kan tränga igenom blyplattor upp till 1 m tjocka. Kort därefter uppmärksammade han också. till existensen i kosmiska strålar två olika komponenter. Partiklar av en komponent (den penetrerande komponenten) kan passera genom stora tjocklekar av materia, och graden av deras absorption av olika ämnen är ungefär proportionell mot massan av dessa ämnen. Partiklar av den andra komponenten (duschkomponenten) absorberas snabbt, särskilt av tunga element; i detta fall bildas ett stort antal sekundära partiklar (duschar). Molnkammarexperiment av Anderson och Neddemeyer på passage av kosmiska strålar genom blyplattor visade också att det finns två distinkta komponenter i kosmisk strålning. Dessa experiment visade att medan den genomsnittliga energiförlusten för kosmiska strålpartiklar i bly var i storleksordning med den teoretiskt beräknade kollisionsförlusten, upplevde vissa av dessa partiklar mycket större förluster.

År 1934 publicerade Bethe och Heitler teorin om strålningsförlust av elektroner och produktion av par av fotoner. Egenskaperna hos den mindre penetrerande komponenten som observerats av Anderson och Neddemeyer stämde överens med egenskaperna hos elektroner som förutspåtts av Bethes och Heitlers teori; i detta fall förklarades stora förluster av strålningsprocesser. Egenskaperna hos den duschbildande strålningen som upptäcktes av Rossi skulle också kunna förklaras genom att anta att denna strålning består av högenergielektroner och fotoner. Å andra sidan, samtidigt som man inser giltigheten av teorin om Bethe och Heitler, måste man dra slutsatsen att "penetrerande" partiklar i Rossis experiment och mindre absorberade partiklar i Andersons och Neddemeyers experiment skiljer sig från elektroner. Vi var tvungna att anta att de penetrerande partiklarna är tyngre än elektroner, eftersom energiförlusten för strålning enligt teorin är omvänt proportionell mot kvadraten av massan

I samband med detta diskuterades möjligheten till kollaps av teorin om strålning vid höga energier. Som ett alternativ föreslog Williams 1934 att penetrerande partiklar av kosmisk strålning kan ha massan av en proton. En av svårigheterna förknippade med denna hypotes var behovet av existensen av inte bara positiva, utan också negativa protoner, eftersom molnkammarexperiment visade att de penetrerande partiklarna av kosmiska strålar har laddningar av båda tecknen. Dessutom, på några fotografier tagna av Anderson och Neddemeyer i en molnkammare, kunde man se partiklar som inte strålade som elektroner, men som dock inte var så tunga som protoner. I slutet av 1936 blev det alltså nästan uppenbart att kosmisk strålning förutom elektroner också innehöll partiklar av en hittills okänd typ, förmodligen partiklar med en massa som ligger mellan en elektrons och en protons. Det bör också noteras att Yukawa 1935, utifrån rent teoretiska överväganden, förutspådde förekomsten av sådana partiklar

Förekomsten av mellanmassapartiklar bevisades direkt 1937 genom experiment av Neddemeyer och Anderson, Street och Stevenson.

Neddemeyers och Andersons experiment var en fortsättning (med en förbättrad teknik) på de studier som nämnts ovan om energiförlusterna hos kosmiska strålpartiklar. De utfördes i en molnkammare placerad i ett magnetfält och delade i två halvor av en 1 cm tjock platinaplatta.Momentförlusten för individuella partiklar av kosmisk strålning bestämdes genom att mäta spårets krökning före och efter plattan

Absorberade partiklar kan lätt tolkas som elektroner. Denna tolkning stöds av det faktum att absorberade partiklar, till skillnad från penetrerande partiklar, ofta orsakar sekundära processer i platinaabsorbatorn och till största delen sker i grupper (två eller fler). Detta är precis vad man kunde förvänta sig, eftersom många av elektronerna som observerats i samma experimentella geometri som Neddemeyers och Andersons är en del av skurarna som bildas i den omgivande materien. När det gäller arten av penetrerande partiklar förklarade följande två resultat erhållna av Neddemeyer och Anderson mycket här:

ett). Trots att absorberade partiklar är relativt vanligare vid lågt moment, och penetrerande partiklar är det motsatta (mer frekventa vid högt momenta), finns det ett momentumintervall där både absorberade och penetrerande partiklar är representerade. Således kan skillnaden i beteendet hos dessa två typer av partiklar inte tillskrivas skillnaden i energier. Detta resultat utesluter möjligheten att betrakta de penetrerande partiklarna som elektroner, vilket förklarar deras beteende med orättvisan i teorin om strålning vid höga energier

2). Det finns ett antal penetrerande partiklar med momenta mindre än 200 MeV/c som inte producerar mer jonisering än en enkelladdad partikel nära joniseringskurvans minimum. Detta innebär att penetrerande kosmiska strålpartiklar är mycket lättare än protoner, eftersom en proton med en rörelsemängd mindre än 200 MeV/c producerar en specifik jonisering ungefär 10 gånger högre än minimum

Street och Stevenson försökte direkt uppskatta massan av kosmiska strålpartiklar genom att samtidigt mäta momentum och specifik jonisering. De använde en molnkammare, som styrdes av ett system med Geiger-Muller-räknare som var påslagna på grund av tillfälligheter. Detta uppnådde valet av partiklar nära slutet av deras intervall. Kammaren placerades i ett magnetfält med en styrka av 3500 gauss; Kammaren triggades med en fördröjning på cirka 1 sekund, vilket gjorde det möjligt att räkna droppar. Bland ett stort antal fotografier fann Street och Stevenson en av extremt intresse.

Det här fotografiet visar spåret av en partikel med en rörelsemängd på 29 MeV/c, vars jonisering är ungefär sex gånger den minsta. Denna partikel har en negativ laddning när den rör sig nedåt. Att döma av momentum och specifik jonisering är dess massa cirka 175 elektronmassor; det troliga felet på 25 % beror på felaktigheten i mätningen av specifik jonisering. Observera att en elektron med ett momentum på 29 MeV/c har praktiskt taget minimal jonisering. Å andra sidan har partiklar med detta momentum och protonmassa (antingen en uppåtgående vanlig proton eller en nedåtgående negativ proton) en specifik jonisering som är cirka 200 gånger den minsta; dessutom måste räckvidden för en sådan proton i kammargasen vara mindre än 1 cm. Samtidigt är spåret i fråga tydligt synligt i 7 cm, varefter det lämnar den upplysta volymen

Experimenten som beskrivits ovan visade förvisso att de penetrerande partiklarna verkligen är tyngre än elektroner, men lättare än protoner. Dessutom gav Street och Stevensons experiment den första grova uppskattningen av massan av denna nya partikel, som vi nu kan kalla med sitt vanliga namn, mesonen.

Så 1936 upptäckte A. Anderson och S. Neddermeyer muonen (μ-meson). Denna partikel skiljer sig från en elektron endast i sin massa, som är cirka 200 gånger större än elektronen

År 1947 Powell observerade spår av laddade partiklar i fotografiska emulsioner, som tolkades som Yukawa-mesoner och benämndes π-mesoner eller pioner. Nedbrytningsprodukterna från laddade pioner, som också är laddade partiklar, kallades myoner eller myoner. Det var negativa myoner som observerades i Conversis experiment: till skillnad från pioner interagerar myoner, liksom elektroner, inte starkt med atomkärnor.

Eftersom myoner med en strikt definierad energi alltid bildades under sönderfallet av stoppade pioner, följde det att när π förvandlades till μ, borde ytterligare en neutral partikel bildas (dess massa visade sig vara mycket nära noll). Å andra sidan interagerar denna partikel praktiskt taget inte med materia, så man drog slutsatsen att den inte kan vara en foton. Således ställs fysiker inför en ny neutral partikel vars massa är noll

Så en laddad Yukawa-meson upptäcktes, som sönderfaller till en myon och en neutrino. Livslängden för π-mesonen med avseende på detta sönderfall visade sig vara lika med 2·10 -8 s. Sedan visade det sig att myonen också är instabil, att det till följd av dess sönderfall bildas en elektron. Myonens livslängd visade sig vara i storleksordningen 10 -6 s. Eftersom elektronen som bildas under myonens sönderfall inte har en strikt definierad energi drogs slutsatsen att tillsammans med elektronen bildas två neutriner under myonens sönderfall

År 1947, även inom kosmisk strålning, upptäckte S. Powells grupp p+ och p- mesoner med en massa av 274 elektronmassor, som spelar en viktig roll i interaktionen mellan protoner och neutroner i kärnor. Förekomsten av sådana partiklar föreslogs av H. Yukawa 1935

Neutrino

Upptäckten av neutrinon, en partikel som knappast interagerar med materia, härstammar från den teoretiska gissningen av W. Pauli (1930), som gjorde det möjligt, genom att anta födelsen av en sådan partikel, att eliminera svårigheter med lagen om bevarande av energi i processerna för beta-sönderfall av radioaktiva kärnor. Existensen av neutriner bekräftades experimentellt först 1953 (F. Reines och K. Cowen, USA)

Under β-sönderfallet av kärnor, som vi redan har sagt, flyger förutom elektroner även neutriner ut. Denna partikel "introducerades" först i fysiken teoretiskt. Det var existensen av neutrinon som postulerades av Pauli 1929, många år innan hans experimentella upptäckt (1956). Neutrino, en neutral partikel med noll (eller försumbar) massa, behövdes av Pauli för att rädda lagen om bevarande av energi i processen för β-sönderfall av atomkärnor

Inledningsvis kallade Pauli den hypotetiska neutrala partikel som bildades under β-sönderfallet av kärnor för neutronen (detta var före Chadwicks upptäckt) och föreslog att den är en del av kärnan

Hur svårt det var att komma fram till hypotesen om neutriner, som bildas i själva verket av neutronsönderfall, kan åtminstone ses av det faktum att bara ett år före framträdandet av Fermis grundläggande artikel om egenskaperna hos den svaga växelverkan, forskaren använde termen "neutron" i en rapport om det aktuella tillståndet i atomkärnans fysik för att beteckna de två partiklar som nu kallas neutronen och neutrinon. "Till exempel, enligt Paulis förslag", säger Fermi, "skulle det vara möjligt att föreställa sig att det finns neutroner inuti atomkärnan, som skulle sändas ut samtidigt med β-partiklar. Dessa neutroner kunde passera genom stora tjocklekar av materia utan att förlora sin energi, och skulle därför vara praktiskt taget omöjliga att observera. Förekomsten av neutronen skulle utan tvekan helt enkelt kunna förklara några ännu obegripliga frågor, såsom statistiken över atomkärnor, de avvikande inneboende ögonblicken för vissa kärnor, och kanske också naturen av penetrerande strålning. Faktum är att när det gäller en partikel som emitteras med β-elektroner och som absorberas dåligt av materia, är det nödvändigt att komma ihåg neutrinon. Man kan dra slutsatsen att 1932 var problemen med neutronen och neutrinon extremt förvirrade. Det tog ett år av hårt arbete av teoretiker och experimentörer för att lösa både grundläggande och terminologiska svårigheter.

"Efter upptäckten av neutronen," sa Pauli, "vid seminarier i Rom började Fermi kalla min nya partikel som sänds ut under β-sönderfallet för "neutrino" för att skilja den från den tunga neutronen. Detta italienska namn har blivit allmänt accepterat"

På 1930-talet generaliserades Fermis teori till positronsönderfall (Wick, 1934) och till övergångar med en förändring i kärnans rörelsemängd (Gamow och Teller, 1937)

En neutrinos "öde" kan jämföras med en elektrons "öde". Båda partiklarna var från början hypotetiska - elektronen introducerades för att bringa materiens atomstruktur i linje med elektrolyslagarna, och neutrinon introducerades för att rädda lagen om bevarande av energi i processen med β-sönderfall. Och först långt senare upptäcktes de som verkliga

1962 fann man att det finns två olika neutriner: elektron och myon. 1964, i neutrala K-mesons sönderfall, upptäcktes den så kallade icke-konserveringen. kombinerad paritet (introducerad av Li Tsung-tao och Yang Zhen-ning och oberoende av L. D. Landau 1956), vilket innebär behovet av att revidera de vanliga synpunkterna på beteendet hos fysiska processer under tidsreflektionsoperationen

Från konstigheter till charm

Upptäckt av konstiga partiklar

Sent 40-tal - tidigt 50-tal. märktes av upptäckten av en stor grupp partiklar med ovanliga egenskaper, kallade "konstiga". De första partiklarna i denna grupp, K + - och K - mesoner, L-, S + -, S- -, X- - hyperoner, upptäcktes i kosmiska strålar, efterföljande upptäckter av konstiga partiklar gjordes vid acceleratorer - installationer som skapar intensiva flöden av snabba protoner och elektroner. När de kolliderar med materia ger accelererade protoner och elektroner upphov till nya elementarpartiklar, som blir föremål för studier.

1947 observerade Butler och Rochester två partiklar, kallade V-partiklar, i en molnkammare. Två spår observerades, som om de bildar den latinska bokstaven V. Bildandet av två spår indikerade att partiklarna var instabila och sönderföll till andra, lättare. En av V-partiklarna var neutral och sönderföll till två laddade partiklar med motsatta laddningar. (Senare identifierades den med den neutrala K-mesonen, som sönderfaller till positiva och negativa pioner). Den andra laddades och sönderföll till en laddad partikel med en mindre massa och en neutral partikel. (Senare identifierades den med en laddad K + meson, som sönderfaller till laddade och neutrala pioner)

V-partiklar medger vid första anblicken en annan tolkning: deras utseende kunde inte tolkas som ett sönderfall av partiklar, utan som en spridningsprocess. Faktum är att processerna för spridning av en laddad partikel genom en kärna med bildning av en laddad partikel i sluttillståndet, såväl som oelastisk spridning av en neutral partikel av en kärna med bildning av två laddade partiklar, kommer att se likadana ut i en molnkammare som sönderfallet av V-partiklar. Men en sådan möjlighet uteslöts lätt med motiveringen att spridningsprocesser är mer sannolika i tätare medier. Och V-händelser observerades inte i bly, som fanns i molnkammaren, utan direkt i själva kammaren, som är fylld med en gas med lägre densitet (jämfört med densiteten av bly)

Observera att om den experimentella upptäckten av π-mesonen i någon mening var "förväntad" på grund av behovet av att förklara arten av nukleoninteraktioner, så visade sig upptäckten av V-partiklar, liksom upptäckten av myonen, vara en fullständig överraskning .

Upptäckten av V-partiklar och bestämningen av deras mest "elementära" egenskaper sträckte sig över mer än ett decennium. Efter den första observationen av dessa partiklar 1947. Rochester och Butler fortsatte sina experiment i ytterligare två år, men de misslyckades med att observera en enda partikel. Och först efter att utrustningen höjdes högt upp i bergen upptäcktes V-partiklar igen, liksom nya partiklar upptäcktes.

Som det visade sig senare visade sig alla dessa observationer vara observationer av olika sönderfall av samma partikel - K-mesonen (laddad eller neutral)

V-partiklarnas "beteende" vid födseln och efterföljande sönderfall ledde till att de började kallas konstiga

Konstiga partiklar erhölls först i laboratoriet 1954. Fowler, Shutt, Thorndike och Whitemore, som, med hjälp av en jonstråle från Brookhaven-kosmotronen med en initial energi på 1,5 GeV, observerade reaktionerna av associativ produktion av konstiga partiklar

Från början av 50-talet. acceleratorer har blivit det främsta verktyget för att studera elementarpartiklar. På 70-talet. energierna hos partiklar som accelererades vid acceleratorer uppgick till tiotals och hundratals miljarder elektronvolt (GeV). Önskan att öka partiklarnas energier beror på att höga energier öppnar möjligheten att studera materiens struktur på de kortare avstånden, desto högre energi hos de kolliderande partiklarna. Acceleratorer ökade avsevärt hastigheten för att erhålla ny data och på kort tid utökade och berikade vår kunskap om mikrovärldens egenskaper. Användningen av acceleratorer för att studera konstiga partiklar gjorde det möjligt att studera deras egenskaper mer i detalj, i synnerhet egenskaperna hos deras förfall, och ledde snart till en viktig upptäckt: klarläggandet av möjligheten att ändra egenskaperna hos vissa mikroprocesser under spegelreflektion operation - den så kallade. kränkning av utrymmen, paritet (1956). Idrifttagandet av protonacceleratorer med energier på miljarder elektronvolt gjorde det möjligt att upptäcka tunga antipartiklar: antiprotonen (1955), antineutronen (1956) och antisigmahyperonerna (1960). 1964 upptäcktes det tyngsta hyperonet W- (med en massa på cirka två protonmassor)

Resonanser.

På 1960-talet vid acceleratorer upptäcktes ett stort antal extremt instabila (jämfört med andra instabila elementarpartiklar) partiklar, som kallades "resonanser". Massorna för de flesta resonanser överstiger protonens massa. Den första av dem D1 (1232) har varit känd sedan 1953. Det visade sig att resonanser utgör huvuddelen av elementarpartiklar

Den starka interaktionen mellan en π-meson och en nukleon i ett tillstånd med ett totalt isotopiskt spinn 3/2 och ett momentum 3/2 leder till uppkomsten av ett exciterat tillstånd av nukleonen. Detta tillstånd sönderfaller inom en mycket kort tid (i storleksordningen 10 -23 s) till en nukleon och en π-meson. Eftersom detta tillstånd har väldefinierade kvanttal, såväl som stabila elementarpartiklar, var det naturligt att kalla det en partikel. För att betona den mycket korta livslängden för detta tillstånd började det och liknande kortlivade tillstånd kallas resonans.

Nukleonresonans, upptäckt av Fermi 1952, kallades senare ∆ 3/2 3/2 isobar (för att markera det faktum att ∆-isobarens spinn och isotopspinn är 3/2). Eftersom livslängden för resonanser är obetydlig kan de inte observeras direkt, på samma sätt som "vanliga" protoner, π-mesoner och myoner observeras (genom sina spår i spåranordningar). Resonanser detekteras av det karakteristiska beteendet hos spridningstvärsnitten av partiklar, såväl som genom att studera egenskaperna hos deras sönderfallsprodukter. De flesta av de kända elementarpartiklarna tillhör gruppen resonanser

Upptäckten av Δ-resonans var av stor betydelse för elementär partikelfysik

Observera att exciterade tillstånd eller resonanser inte är absolut nya objekt i fysiken. Tidigare var de kända inom atom- och kärnfysik, där deras existens är förknippad med den sammansatta naturen hos atomen (bildad av kärnan och elektroner) och kärnan (bildad av protoner och neutroner). När det gäller egenskaperna hos atomära tillstånd, bestäms de endast av den elektromagnetiska interaktionen. De låga sannolikheterna för deras sönderfall är förknippade med den elektromagnetiska interaktionskonstantens litenhet

Exciterade tillstånd existerar inte bara för nukleonen (i det här fallet talar de om dess isobariska tillstånd), utan också för π-mesonen (i det här fallet talar de om mesonresonanser)

"Orsaken till uppkomsten av resonanser i starka interaktioner är obegriplig", skriver Feynman, "till en början antog inte teoretiker att resonanser existerar i fältteorin med en stor interaktionskonstant. Senare insåg de att om interaktionskonstanten är tillräckligt stor så uppstår isobariska tillstånd. Den verkliga betydelsen av det faktum att det finns resonanser för grundläggande teori är dock oklart.

"Charmerade" partiklar

I slutet av 1974 två grupper av experimenterare (Things grupp vid Brookhaven protonaccelerator och B. Richters grupp, som arbetade vid installationen med kolliderande elektron-positronstrålar vid Stanford) gjorde samtidigt den viktigaste upptäckten inom elementär partikelfysik: de upptäckte en ny partikel - resonans med en massa lika med 3,1 GeV (över tre protonmassor)

Den mest överraskande egenskapen hos denna resonans var dess lilla sönderfallsbredd - den är bara 70 keV, vilket motsvarar en livstid på cirka 10 -23 s

Den allmänt accepterade förklaringen av ψ-mesonernas natur är baserad på hypotesen om förekomsten av en fjärde, c-kvark, tillsammans med de tre "standardiserade" tre u-, d- och s-kvarkarna. C-kvarken skiljer sig från tidigare kända kvarkar i värdet av ett nytt kvanttal, kallat charm. Därför kallades c-kvarken för charm - eller charmed - kvarken.

1974 upptäcktes andra massiva (3-4 protonmassor) och samtidigt relativt stabila y-partiklar, med en livslängd ovanligt lång för resonanser. De visade sig vara nära besläktade med en ny familj av elementarpartiklar - "charmerade", vars första representanter (D0, D+, Lc) upptäcktes 1976. 1975 erhölls den första informationen om förekomsten av en tung analog till elektronen och myonen (tung lepton t)

Ting och Richter tilldelades Nobelpriset i fysik 1976 för upptäckten av ψ-partiklar.

År 1977 tyngre (jämfört med ψ-partiklar) neutrala mesoner med massor av storleksordningen 10 GeV upptäcktes, d.v.s. mer än tio gånger tyngre än nukleoner. Liksom i fallet med ψ-mesoner, observerades dessa mesoner, kallade "upsilon"-mesoner, i reaktionen för produktion av myonpar i proton-kärnkollisioner

Slutsats

Under åren som har gått sedan upptäckten av elektronen har ett stort antal olika mikropartiklar av materia avslöjats. Alla elementarpartiklar kännetecknas av exceptionellt små dimensioner: de linjära dimensionerna av en nukleon och en pion är ungefär lika med 10 -15 m. Teorin förutspår att storleken på en elektron bör vara i storleksordningen 10 -19 m

Massan av de allra flesta partiklar är jämförbar med massan av en proton, som i energienheter är nära 1 GeV (1000 MeV)

Elementarpartiklarnas värld visade sig vara ganska komplicerad. Egenskaperna hos de upptäckta elementarpartiklarna visade sig vara oväntade i många avseenden. För att beskriva dem, utöver de egenskaper som lånats från klassisk fysik, såsom elektrisk laddning, massa, rörelsemängd, var det nödvändigt att introducera många nya speciella egenskaper, i synnerhet för att beskriva konstiga elementarpartiklar - konstighet (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), "charmerade" elementarpartiklar - "charm" (amerikanska fysiker J. Bjorken, S. Glashow, 1964); redan namnen på de givna egenskaperna återspeglar den ovanliga karaktären hos egenskaperna hos elementarpartiklar som beskrivs av dem

Studiet av materiens inre struktur och egenskaperna hos elementarpartiklar från dess första steg åtföljdes av en radikal revidering av många etablerade koncept och idéer. De lagar som styr materiens beteende i det lilla visade sig vara så olika från den klassiska mekanikens och elektrodynamikens lagar att de krävde helt nya teoretiska konstruktioner för sin beskrivning.

Studiet av materiens inre struktur och egenskaperna hos elementarpartiklar från dess första steg åtföljdes av en radikal revidering av många etablerade koncept och idéer. Regelbundenheterna som styrde materiens beteende i det lilla visade sig vara så olika från den klassiska mekanikens och elektrodynamikens regelbundenheter att de krävde helt nya teoretiska konstruktioner för sin beskrivning. Sådana nya grundläggande konstruktioner i teorin var privat (speciell) och allmän relativitet (A. Einstein, 1905 och 1916; Relativitetsteori, Gravity) och kvantmekanik (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born). Relativitetsteorin och kvantmekaniken markerade en verklig revolution inom naturvetenskapen och lade grunden för att beskriva mikrovärldens fenomen. Men för att beskriva de processer som sker med elementarpartiklar, visade sig kvantmekaniken vara otillräcklig. Det tog nästa steg - kvantiseringen av klassiska fält (den så kallade sekundära kvantiseringen) och utvecklingen av kvantfältteorin. De viktigaste stadierna på vägen för dess utveckling var: formuleringen av kvantelektrodynamik (P. Dirac, 1929), kvantteorin om b-förfall (E. Fermi, 1934), som lade grunden för den moderna teorin om svaga. interaktioner, kvantmesodynamik (Yukawa, 1935). Den omedelbara föregångaren till den senare var den sk. b-teori om kärnkrafter (I. E. Tamm, D. D. Ivanenko, 1934; Strong interactions). Denna period slutade med skapandet av en konsekvent beräkningsapparat för kvantelektrodynamik (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), baserad på användningen av renormaliseringstekniker (Quantum Field Theory). Denna teknik generaliserades senare till andra versioner av kvantfältteorin.

Kvantfältteorin fortsätter att utvecklas och förbättras och är grunden för att beskriva växelverkan mellan elementarpartiklar. Denna teori har ett antal betydande framgångar, och ändå är den fortfarande väldigt långt ifrån fullständighet och kan inte göra anspråk på rollen som en heltäckande teori om elementarpartiklar. Ursprunget för många egenskaper hos elementarpartiklar och arten av de inneboende deras interaktioner förblir i stort sett oklara. Det är möjligt att mer än en omstrukturering av alla representationer och en mycket djupare förståelse av sambandet mellan egenskaperna hos mikropartiklar och de geometriska egenskaperna hos rum-tid kommer att behövas innan teorin om elementarpartiklar kommer att byggas.

Litteratur

Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Biografi av elementära partiklar. -K.: Naukova Dumka, 1983

Dorfman Ya.G. Fysikens världshistoria från början av 1800-talet till mitten av 1900-talet. -M.: 1979

Zisman G.A., Todes O.M. Kurs i allmän fysik. -K.: Ed. Edelweiss, 1994

Kaempfer F. Vägen till modern fysik. -M.: 1972

Kreychi. Världen genom den moderna fysikens ögon. -M.: Mir, 1974

Myakishev G.Ya. Elementarpartiklar. -M.: Upplysningen, 1977

Pasichny A.P. Elementarpartiklars fysik. -K.: Vishcha-skolan, 1980

Saveliev I.V. Fysik kurs. -M.: Nauka, 1989

Uppfattningen att världen består av fundamentala partiklar har en lång historia. För första gången uttrycktes idén om existensen av de minsta osynliga partiklarna som utgör alla omgivande föremål 400 år före vår tideräkning av den grekiske filosofen Democritus. Han kallade dessa partiklar atomer, det vill säga odelbara partiklar. Vetenskapen började använda begreppet atomer först i början av 1800-talet, då det var möjligt att förklara ett antal kemiska fenomen utifrån detta. På 30-talet av 1800-talet, i teorin om elektrolys som utvecklats av M. Faraday, dök begreppet en jon upp och den elementära laddningen mättes. Men runt mitten av 1800-talet började experimentella fakta dyka upp som tvivlade på idén om atomers odelbarhet. Resultaten av dessa experiment antydde att atomer har en komplex struktur och att de innehåller elektriskt laddade partiklar. Detta bekräftades av den franske fysikern Henri Becquerel, som 1896 upptäckte fenomenet radioaktivitet.

Detta följdes av upptäckten av den första elementarpartikeln av den engelske fysikern Thomson 1897. Det var en elektron som slutligen fick status som ett verkligt fysiskt objekt och blev den första kända elementarpartikeln i mänsklighetens historia. Dess massa är cirka 2000 gånger mindre än massan av en väteatom och är lika med:

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

Den negativa elektriska laddningen av en elektron kallas elementär och är lika med:

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

En analys av atomspektra visar att en elektrons spinn är 1/2 och dess magnetiska moment är lika med en Bohr-magneton. Elektroner lyder Fermi-statistiken eftersom de har ett halvt heltalssnurr. Detta överensstämmer med experimentella data om strukturen hos atomer och om elektronernas beteende i metaller. Elektroner deltar i elektromagnetiska, svaga och gravitationella interaktioner.

Den andra upptäckta elementarpartikeln var protonen (från den grekiska protos - den första). Denna elementarpartikel upptäcktes 1919 av Rutherford när han studerade klyvningsprodukterna från atomkärnor av olika kemiska element. I bokstavlig mening är en proton kärnan i en atom av den lättaste isotopen av väte - protium. Protonspinnet är 1/2. Protonen har en positiv elementär laddning +e. Dess massa är:

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

eller omkring 1836 elektronmassor. Protoner är en del av kärnorna i alla atomer av kemiska grundämnen. Efter det, 1911, föreslog Rutherford en planetmodell av atomen, som hjälpte forskare i ytterligare studier av atomernas sammansättning.

År 1932 upptäckte J. Chadwick den tredje elementarpartikeln, neutronen (från latin neutrum - varken det ena eller det andra), som inte har någon elektrisk laddning och har en massa på cirka 1839 elektronmassor. Neutronspinnet är också 1/2.

Slutsatsen om förekomsten av en elektromagnetisk fältpartikel - en foton - kommer från M. Plancks arbete (1900). Om man antar att energin från den elektromagnetiska strålningen från en absolut svart kropp är kvantiserad (det vill säga den består av kvanta), fick Planck den korrekta formeln för strålningsspektrumet. A. Einstein (1905) utvecklade Plancks idé och postulerade att elektromagnetisk strålning (ljus) faktiskt är en ström av individuella kvanta (fotoner), och förklarade utifrån den fotoelektriska effektens lagar. Direkt experimentellt bevis för fotonens existens gavs av R. Millikan 1912-1915 och av A. Compton 1922.

Upptäckten av neutrinon, en partikel som knappast interagerar med materia, härstammar från W. Paulis teoretiska gissning 1930, som gjorde det möjligt att, genom att anta födelsen av en sådan partikel, eliminera svårigheter med lagen om energibevarande. i processerna för beta-sönderfall av radioaktiva kärnor. Existensen av neutriner bekräftades experimentellt först 1953 av F. Reines och K. Cowen.

Men ämnet består inte bara av partiklar. Det finns också antipartiklar - elementarpartiklar som har samma massa, spinn, livslängd och vissa andra inre egenskaper som deras "tvillingpartiklar", men som skiljer sig från partiklar i tecken på elektrisk laddning och magnetiskt moment, baryonladdning, leptonladdning, konstighet och etc. Alla elementarpartiklar, förutom absolut neutrala, har sina egna antipartiklar.

Den första upptäckta antipartikeln var positronen (från latin positivus - positiv) - en partikel med en elektronmassa, men en positiv elektrisk laddning. Denna antipartikel upptäcktes i kosmiska strålar av den amerikanske fysikern Carl David Anderson 1932. Intressant nog förutspåddes existensen av positronen teoretiskt av den engelske fysikern Paul Dirac nästan ett år före den experimentella upptäckten. Dessutom förutspådde Dirac de så kallade processerna för förintelse (försvinnande) och födelsen av ett elektron-positronpar. Parförintelse i sig är en av de typer av transformationer av elementarpartiklar som sker när en partikel kolliderar med en antipartikel. Under förintelsen försvinner partikeln och antipartikeln och förvandlas till andra partiklar, vars antal och typ begränsas av bevarandelagar. Den omvända förintelseprocessen är födelsen av ett par. Själva positronen är stabil, men i materia, på grund av förintelse med elektroner, är det mycket kort tid. Förintelsen av en elektron och en positron är att när de möts försvinner de och förvandlas till γ- kvanta (fotoner). Och vid en kollision γ- ett kvantum med någon massiv kärna, föds ett elektron-positronpar.

1955 upptäcktes en annan antipartikel - antiprotonen och lite senare - antineutronen. Antineutronen, liksom neutronen, har ingen elektrisk laddning, men den tillhör utan tvekan antipartiklarna, eftersom den deltar i förintelseprocessen och födelsen av ett neutron-antineutronpar.

Möjligheten att få antipartiklar ledde forskare till idén om att skapa antimateria. Atomer av antimateria bör byggas på ett sådant sätt: i mitten av atomen finns en negativt laddad kärna, bestående av antiprotoner och antineutroner, och positroner med positiv laddning kretsar runt kärnan. I allmänhet visar sig atomen också vara neutral. Denna idé har fått lysande experimentell bekräftelse. 1969, vid protonacceleratorn i staden Serpukhov, fick sovjetiska fysiker kärnorna av antiheliumatomer. Även 2002 producerades 50 000 antiväteatomer vid CERN-acceleratorn i Genève. Men trots detta har ansamlingar av antimateria i universum ännu inte upptäckts. Det blir också tydligt att vid minsta interaktion av antimateria med något ämne, kommer deras förintelse att ske, vilket kommer att åtföljas av en enorm frigöring av energi, flera gånger större än energin hos atomkärnor, vilket är extremt osäkert för människor och miljö .

För närvarande har antipartiklar av nästan alla kända elementarpartiklar upptäckts experimentellt.

En viktig roll i elementarpartiklarnas fysik spelas av bevarandelagar som etablerar likhet mellan vissa kombinationer av kvantiteter som kännetecknar systemets initiala och slutliga tillstånd. Arsenalen av bevarandelagar inom kvantfysiken är större än i klassisk fysik. Det kompletterades med lagarna för bevarande av olika pariteter (spatial, laddning), laddningar (lepton, baryon, etc.), interna symmetrier som är inneboende i en eller annan typ av interaktion.

Identifiering av egenskaperna hos enskilda subatomära partiklar är ett viktigt, men bara det första steget i kunskapen om deras värld. I nästa steg är det fortfarande nödvändigt att förstå vilken roll varje enskild partikel har, vilka är dess funktioner i materiens struktur.

Fysiker har funnit att, först och främst, egenskaperna hos en partikel bestäms av dess förmåga (eller oförmåga) att delta i en stark interaktion. Partiklarna som deltar i den starka interaktionen bildar en speciell klass och kallas hadroner. Partiklar som deltar i den svaga interaktionen och inte deltar i den starka kallas leptoner. Dessutom finns det interaktions-bärarpartiklar.

leptoner.

Leptoner anses vara sanna elementarpartiklar. Även om leptoner kan ha en elektrisk laddning eller inte, har de alla en spin på 1/2. Bland leptonerna är elektronen den mest kända. Elektronen är den första av de upptäckta elementarpartiklarna. Liksom alla andra leptoner är elektronen tydligen ett elementärt (i ordets rätta betydelse) objekt. Så vitt vi vet består elektronen inte av några andra partiklar.

En annan välkänd lepton är neutrinon. Neutrinos är de vanligaste partiklarna i universum. Universum kan föreställas som ett gränslöst neutrinohav, där öar i form av atomer ibland finns. Men trots en sådan förekomst av neutriner är det mycket svårt att studera dem. Som vi har noterat är neutriner nästan svårfångade. De deltar inte i varken starka eller elektromagnetiska interaktioner, de penetrerar materia som om den inte existerar alls. Neutrinos är några "spöken i den fysiska världen".

Myoner är ganska utbredda i naturen och står för en betydande del av den kosmiska strålningen. På många sätt liknar myonen en elektron: den har samma laddning och spinn, deltar i dessa interaktioner, men har en stor massa (cirka 207 elektronmassor) och är instabil. På ungefär två miljondelar av en sekund sönderfaller en myon till en elektron och två neutriner. I slutet av 1970-talet upptäcktes en tredje laddad lepton, som kallades "tau lepton". Detta är en mycket tung partikel. Dess massa är cirka 3500 elektronmassor. Men i alla andra avseenden beter den sig som en elektron och en myon.

På 1960-talet utökades listan över leptoner avsevärt. Man fann att det finns flera typer av neutriner: elektronneutrino, myonneutrino och tau-neutrino. Således är det totala antalet neutrinosorter tre, och det totala antalet leptoner är sex. Naturligtvis har varje lepton sin egen antipartikel; sålunda är det totala antalet distinkta leptoner tolv. Neutrala leptoner deltar endast i den svaga interaktionen; laddad - i de svaga och elektromagnetiska. Alla leptoner deltar i gravitationsinteraktion, men är inte kapabla till starka sådana.

Hadroner.

Om det finns drygt ett dussin leptoner, så finns det hundratals hadroner. En sådan mängd hadroner tyder på att hadroner inte är elementära partiklar, utan är byggda av mindre partiklar. Alla hadroner finns i två varianter - elektriskt laddade och neutrala. Bland hadronerna är neutronen och protonen de mest kända och utbredda, som i sin tur tillhör klassen nukleoner. De återstående hadronerna är kortlivade och sönderfaller snabbt. Hadroner deltar i alla grundläggande interaktioner. De är indelade i baryoner och mesoner. Baryoner inkluderar nukleoner och hyperoner.

För att förklara existensen av kärnkrafter av interaktion mellan nukleoner krävde kvantteorin att det fanns speciella elementarpartiklar med en massa större än en elektrons massa, men mindre än en protons massa. Dessa partiklar som förutspåtts av kvantteorin kallades senare mesoner. Mesoner upptäcktes experimentellt. De visade sig vara en hel familj. Alla visade sig vara kortlivade instabila partiklar som lever i ett fritt tillstånd på miljarddels sekund. Till exempel har en laddad pi-meson eller pion en vilomassa på 273 elektronmassor och en livstid:

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

Vidare, i studier på laddade partikelacceleratorer, upptäcktes partiklar med massor som översteg en protons massa. Dessa partiklar kallades hyperoner. De hittades till och med mer än mesoner. Familjen hyperoner inkluderar: lambda-, sigma-, xy- och omega-minus-hyperoner.

Existensen och egenskaperna hos de flesta av de kända hadronerna har fastställts i experiment på acceleratorer. Upptäckten av många olika hadroner på 1950- och 1960-talen förbryllade fysiker extremt. Men med tiden klassificerades hadroner efter deras massa, laddning och spinn. Efter hand började en mer eller mindre tydlig bild träda fram. Konkreta idéer dök upp om hur man skulle systematisera kaoset av empiriska data, för att avslöja hemligheten med hadroner i vetenskaplig teori. Det avgörande steget här togs 1963, när teorin om kvarkar föreslogs.

Teori om kvarkar.

Teorin om kvarkar är teorin om strukturen hos hadroner. Grundidén med denna teori är mycket enkel. Alla hadroner är byggda av mindre partiklar som kallas kvarkar. Det betyder att kvarkar är mer elementarpartiklar än hadroner. Kvarkar är hypotetiska partiklar, eftersom observerades inte i den fria staten. Baryonladdningen för kvarkar är 1/3. De bär en elektrisk elektrisk laddning: de har en laddning som är antingen -1/3 eller +2/3 av den grundläggande enheten, laddningen av elektronen. En kombination av två och tre kvarkar kan ha en total laddning lika med noll eller ett. Alla kvarkar har spin S, så de är fermioner. Grundarna av teorin om kvarkar Gell-Mann och Zweig, för att ta hänsyn till alla hadroner kända på 60-talet, introducerade tre typer (färger) av kvarkar: u (uppifrån - topp), d (nedifrån - botten) och s (från konstigt - konstigt) .

Kvarkar kan kombineras med varandra på ett av två möjliga sätt: antingen i trillingar eller i kvark-antikvarkpar. Jämförelsevis tunga partiklar - baryoner - består av tre kvarkar. De mest kända baryonerna är neutronen och protonen. Lättare kvark-antikvarkpar bildar partiklar som kallas mesoner - "mellanliggande partiklar". Till exempel består en proton av två u-kvarkar och en d-kvark (uud), medan en neutron är uppbyggd av två d-kvarkar och en u-kvark (udd). För att denna "trio" av kvarkar inte ska förfalla, behövs en kraft som håller fast dem, ett slags "lim".

Det visade sig att den resulterande interaktionen mellan neutroner och protoner i kärnan helt enkelt är en resteffekt av en mer kraftfull interaktion mellan kvarkarna själva. Detta förklarade varför den starka kraften verkar så komplicerad. När en proton "klibbar" till en neutron eller en annan proton, är sex kvarkar involverade i interaktionen, som var och en interagerar med alla andra. En betydande del av krafterna går åt till stark limning av en trio kvarkar, och en liten del går åt till att binda två trios kvarkar till varandra. Men senare visade det sig att kvarkar också deltar i det svaga samspelet. Den svaga kraften kan ändra färgen på en kvarg. Det är så neutronsönderfall uppstår. En av d-kvarkarna i neutronen förvandlas till en u-kvark, och överskottsladdningen bär bort elektronen som föds samtidigt. På samma sätt, genom att ändra smaken, leder den svaga interaktionen till att andra hadroner förfaller.

Det faktum att alla kända hadroner kan erhållas från olika kombinationer av de tre grundpartiklarna var en triumf för teorin om kvarkar. Men på 1970-talet upptäcktes nya hadroner (psi-partiklar, upsilon meson, etc.). Detta gav ett slag mot den första versionen av teorin om kvarkar, eftersom det inte fanns plats för en enda ny partikel i den. Alla möjliga kombinationer av kvarkar och deras antikvarkar är redan uttömda.

Problemet löstes genom att introducera tre nya färger. De fick namnet - c - kvark (charm - charm), b - kvarg (nedifrån - botten, och oftare skönhet - skönhet eller charm), och därefter introducerades en annan färg - t (uppifrån - topp).

Hittills har fria kvarkar och antikvarkar inte observerats. Men det råder praktiskt taget inga tvivel om verkligheten av deras existens. Dessutom pågår sökningar efter "riktiga" elementarpartiklar som följer kvarkar - gluoner, som är bärare av interaktioner mellan kvarkar, eftersom kvarkar hålls samman av en stark växelverkan, och gluoner (färgladdningar) är bärare av den starka växelverkan. Området för elementarpartikelfysik som studerar interaktionen mellan kvarkar och gluoner kallas kvantkromodynamik. Eftersom kvantelektrodynamik är teorin om elektromagnetisk interaktion, så är kvantkromodynamik teorin om stark interaktion. Kvantkromodynamik är en kvantfältteori om den starka interaktionen mellan kvarkar och gluoner, som utförs genom att utbyta mellan dem - gluoner (analoger av fotoner i kvantelektrodynamik). Till skillnad från fotoner interagerar gluoner med varandra, vilket i synnerhet leder till en ökning av styrkan i interaktionen mellan kvarkar och gluoner när de rör sig bort från varandra. Det antas att det är denna egenskap som bestämmer kärnkrafternas korta verkan och frånvaron av fria kvarkar och gluoner i naturen.

Enligt moderna begrepp har hadroner en komplex inre struktur: baryoner består av 3 kvarkar, mesoner - från en kvark och en antikvark.

Även om det finns ett visst missnöje med kvarkschemat, anser de flesta fysiker att kvarkar är verkligt elementära partiklar - punktlika, odelbara och utan inre struktur. I detta avseende liknar de leptoner, och det har länge antagits att det måste finnas en djup relation mellan dessa två distinkta men strukturellt lika familjer.

Således är det mest sannolika antalet verkligt elementarpartiklar (exklusive bärare av fundamental interaktion) i slutet av 1900-talet 48. Av dessa: leptoner (6x2) = 12 och kvarkar (6x3)x2 = 36.

Skicka ditt goda arbete i kunskapsbasen är enkelt. Använd formuläret nedan

Studenter, doktorander, unga forskare som använder kunskapsbasen i sina studier och arbete kommer att vara er mycket tacksamma.

KALININGRAD GRÄNSINSTITUT FÖR RYSSSKA FEDERATIONENS FEDERALA SÄKERHETSTJÄNST

CENTRUM FÖR YTTERLIGARE OCH YRKESUTBILDNING

genom disciplin

"Begreppet modern naturvetenskap"

"Historien om upptäckten av elementarpartiklar"

Innehåll

• Introduktion
• Elektron
• Foton
• Proton
• Neutron
• Positron
• Neutrino
• Upptäckt av konstiga partiklar
• "Charmiga" partiklar
• Slutsats
• Lista över begagnad litteratur

Introduktion

Elementarpartiklar i den exakta betydelsen av denna term är primära, ytterligare oupplösliga partiklar, av vilka, enligt antagandet, all materia består. Begreppet elementarpartiklar i modern fysik uttrycker idén om primitiva enheter som bestämmer alla kända egenskaper hos den materiella världen, en idé som har sitt ursprung i de tidiga stadierna av bildandet av naturvetenskap och alltid har spelat en viktig roll i dess utveckling .

Förekomsten av elementarpartiklar upptäcktes av fysiker i studiet av kärnprocesser, därför var elementarpartikelfysiken fram till mitten av 1900-talet en gren av kärnfysiken. För närvarande är elementarpartikelfysik och kärnfysik nära, men självständiga grenar av fysiken, förenade av gemensamma av många av de övervägda problemen och de använda forskningsmetoderna. Huvuduppgiften för elementarpartikelfysik är studiet av elementarpartiklars natur, egenskaper och ömsesidiga omvandlingar.

Upptäckten av elementarpartiklar var ett naturligt resultat av de allmänna framstegen i studiet av materiens struktur, som uppnåddes av fysiken i slutet av 1800-talet. Den förbereddes genom omfattande studier av atomernas optiska spektra, studiet av elektriska fenomen i vätskor och gaser, upptäckten av fotoelektricitet, röntgenstrålar, naturlig radioaktivitet, vilket vittnade om existensen av en komplex struktur av materia.

På 1960- och 1970-talen var fysiker helt förvirrade över överflödet, variationen och ovanligheten hos nyupptäckta subatomära partiklar. Det verkade inte finnas något slut på dem. Det är helt obegripligt varför så många partiklar. Är dessa elementarpartiklar kaotiska och slumpmässiga fragment av materia? Eller kanske de har nyckeln till att förstå universums struktur? Fysikens utveckling under de följande decennierna visade att det inte råder några tvivel om existensen av en sådan struktur.

Begreppet "elementarpartiklar" bildades i nära anslutning till fastställandet av den diskreta naturen hos materiens struktur på mikroskopisk nivå.alla kända ämnen som kombinationer av ett ändligt, om än stort, antal strukturella komponenter - atomer. framtiden förekomsten av beståndsdelar av atomer - elektroner och kärnor, etableringen av kärnornas komplexa natur, som visade sig vara byggd av endast två typer av partiklar (protoner och neutroner), minskade avsevärt antalet diskreta element som bildar materiens egenskaper, och gav anledning att anta att kedjan av beståndsdelar av materien slutar med diskreta strukturlösa formationer - elementarpartiklar.Ett sådant antagande är generellt sett en extrapolering av kända fakta och kan inte noggrant underbyggas. Tw att hävda att partiklar som är elementära i betydelsen av ovanstående definition existerar. Protoner och neutroner, till exempel, som under lång tid ansågs vara elementära partiklar, som det visade sig, har en komplex struktur. Det är möjligt att sekvensen av materiens strukturella komponenter i grunden är oändlig. Förekomsten av elementarpartiklar är ett slags postulat, och verifiering av dess giltighet är en av fysikens viktigaste uppgifter.

Historien om upptäckten av elementarpartiklar

Uppfattningen att världen består av fundamentala partiklar har en lång historia. För första gången uttrycktes idén om existensen av de minsta osynliga partiklarna som utgör alla omgivande föremål 400 år före vår tideräkning av den grekiske filosofen Democritus. Han kallade dessa partiklar atomer, det vill säga odelbara partiklar. Vetenskapen började använda begreppet atomer först i början av 1800-talet, då det var möjligt att förklara ett antal kemiska fenomen utifrån detta. På 30-talet av 1800-talet, i teorin om elektrolys som utvecklats av M. Faraday, dök begreppet en jon upp och den elementära laddningen mättes. Slutet av 1800-talet präglades av upptäckten av fenomenet radioaktivitet (A. Becquerel, 1896), såväl som upptäckterna av elektroner (J. Thomson, 1897) och b-partiklar (E. Rutherford, 1899). 1905, inom fysiken, uppstod en idé om det elektromagnetiska fältets kvanta - fotoner (A. Einstein).

1911 upptäcktes atomkärnan (E. Rutherford) och det bevisades slutligen att atomer har en komplex struktur. 1919 upptäckte Rutherford protoner i klyvningsprodukterna från kärnorna av atomer av ett antal grundämnen. 1932 upptäckte J. Chadwick neutronen. Det blev tydligt att atomernas kärnor, liksom atomerna själva, har en komplex struktur. Proton-neutronteorin om kärnornas struktur uppstod (D.D. Ivanenko och V. Heisenberg). Samma år, 1932, upptäcktes positronen i kosmiska strålar (K. Anderson). En positron är en positivt laddad partikel som har samma massa och samma (modulo)laddning som en elektron. Positronens existens förutspåddes av P. Dirac 1928. Under dessa år upptäcktes och studerades de ömsesidiga omvandlingarna av protoner och neutroner, och det blev tydligt att dessa partiklar inte heller är oföränderliga elementära "tegelstenar" av naturen. 1937 upptäcktes partiklar med en massa på 207 elektronmassor, kallade myoner (m-mesoner), i kosmiska strålar. Sedan, 1947-1950, upptäcktes pioner (det vill säga p-mesoner), som enligt moderna koncept utför interaktionen mellan nukleoner i kärnan. Under de följande åren började antalet nyupptäckta partiklar att växa snabbt. Detta underlättades av studiet av kosmiska strålar, utvecklingen av acceleratorteknologi och studiet av kärnreaktioner.

För närvarande är cirka 400 subnukleära partiklar kända, som vanligtvis kallas elementära. De allra flesta av dessa partiklar är instabila. De enda undantagen är fotonen, elektronen, protonen och neutrinon. Alla andra partiklar genomgår spontana omvandlingar till andra partiklar med vissa intervall. Instabila elementarpartiklar skiljer sig starkt från varandra i livstider. Den längsta livslängden är neutronen. Neutronlivslängden är ca 15 min. Andra partiklar "lever" mycket kortare tid. Till exempel är medellivslängden för en m-meson 2,2·10 - 6 s, och den för en neutral p-meson är 0,87·10 - 16 s. Många massiva partiklar - hyperoner har en medellivslängd i storleksordningen 10 - 10 s.

Det finns flera tiotals partiklar med en livslängd som överstiger 10 - 17 s. När det gäller mikrokosmos omfattning är detta en betydande tid. Sådana partiklar kallas relativt stabila. De flesta kortlivade elementarpartiklar har livslängder i storleksordningen 10 - 22 -10 - 23 s.

Förmågan till ömsesidiga transformationer är den viktigaste egenskapen hos alla elementarpartiklar. Elementarpartiklar kan födas och förstöras (avges och absorberas). Detta gäller även för stabila partiklar, med den enda skillnaden att omvandlingarna av stabila partiklar inte sker spontant, utan vid interaktion med andra partiklar. Ett exempel är förintelsen (det vill säga försvinnandet) av en elektron och en positron, åtföljd av födelsen av fotoner med hög energi. Den omvända processen kan också inträffa - födelsen av ett elektron-positron-par, till exempel, i kollision av en foton med en tillräckligt hög energi med en kärna. En sådan farlig tvilling, som positronen är för elektronen, har protonen också. Det kallas en antiproton. Antiprotonens elektriska laddning är negativ. För närvarande har man hittat antipartiklar i alla partiklar. Antipartiklar är motståndare till partiklar eftersom när någon partikel möter sin antipartikel, förintar de, det vill säga båda partiklarna försvinner och förvandlas till strålningskvanta eller andra partiklar.

Även neutronen har en antipartikel. Neutronen och antineutronen skiljer sig endast i tecken på det magnetiska momentet och den så kallade baryonladdningen. Förekomsten av antimateriaatomer är möjlig, vars kärnor består av antinukleoner och skalet - av positroner. Under förintelsen av antimateria med materia omvandlas resten av energin till strålningskvanternas energi. Detta är en enorm energi, mycket större än den som frigörs i kärn- och termonukleära reaktioner.

I den mängd elementarpartiklar som hittills är kända finns ett mer eller mindre harmoniskt klassificeringssystem.

Elementarpartiklar grupperas i tre grupper: fotoner, leptoner och hadroner.

Gruppen av fotoner inkluderar den enda partikeln - fotonen, som är bäraren av den elektromagnetiska interaktionen.

Nästa grupp består av lätta leptonpartiklar. Denna grupp inkluderar två typer av neutriner (elektroniska och myon), elektron och m-meson.

Den tredje stora gruppen består av tunga partiklar som kallas hadroner. Denna grupp är indelad i två undergrupper. Lättare partiklar utgör en undergrupp av mesoner. De lättaste av dem är positivt och negativt laddade, såväl som neutrala p-mesoner med massor av storleksordningen 250 elektronmassor. Pioner är kvanta av kärnfältet, precis som fotoner är kvanta av det elektromagnetiska fältet. Denna undergrupp inkluderar också fyra K-mesoner och en Z0-meson. Alla mesoner har snurr lika med noll.

Den andra undergruppen - baryoner - inkluderar tyngre partiklar. Det är den mest omfattande. De lättaste av baryonerna är nukleoner - protoner och neutroner. De följs av de så kallade hyperonerna. Omega-minus-hyperonet, upptäckte 1964, stänger bordet.

Överflödet av upptäckta och nyupptäckta hadroner ledde forskare till idén att de alla är byggda av några andra mer fundamentala partiklar. 1964 lade den amerikanske fysikern M. Gell-Man fram en hypotes, bekräftad av efterföljande studier, att alla tunga fundamentala partiklar – hadroner – är byggda av mer fundamentala partiklar som kallas kvarkar. Baserat på kvarkhypotesen förstod man inte bara strukturen hos redan kända hadroner, utan även förekomsten av nya förutspåddes. Gell-Mann-teorin antog existensen av tre kvarkar och tre antikvarkar, som kombineras med varandra i olika kombinationer. Så varje baryon består av tre kvarkar, antibaryon - från tre antikvarkar. Mesoner är uppbyggda av kvarka-antikvarkpar.

Med godkännandet av kvarkhypotesen var det möjligt att skapa ett sammanhängande system av elementarpartiklar. De förutspådda egenskaperna hos dessa hypotetiska partiklar visade sig dock vara ganska oväntade. Många sökningar efter kvarkar i det fria tillståndet, utförda i högenergiacceleratorer och i kosmiska strålar, visade sig misslyckas. Forskare tror att en av anledningarna till att fria kvarkar inte kan observeras kanske är deras mycket stora massor. Detta förhindrar skapandet av kvarkar vid de energier som uppnås med moderna acceleratorer. Men de flesta experter är nu övertygade om att kvarkar finns inuti tunga partiklar - hadroner.

Grundläggande interaktioner. De processer som olika elementarpartiklar deltar i skiljer sig mycket åt i sina karakteristiska tider och energier. Enligt moderna begrepp finns det fyra typer av interaktioner i naturen som inte kan reduceras till andra, enklare typer av interaktioner: stark, elektromagnetisk, svag och gravitation. Dessa typer av interaktioner kallas grundläggande.

Stark (eller nukleär) interaktion är den mest intensiva av alla typer av interaktioner. De orsakar en exceptionellt stark bindning mellan protoner och neutroner i atomernas kärnor. Endast tunga partiklar - hadroner (mesoner och baryoner) kan delta i stark interaktion. Stark interaktion manifesterar sig på avstånd i storleksordningen och mindre än 10 - 15 m. Därför kallas det kort räckvidd.

Elektromagnetisk interaktion. Alla elektriskt laddade partiklar kan delta i denna typ av interaktion, såväl som fotoner - kvanta av det elektromagnetiska fältet. Den elektromagnetiska interaktionen är i synnerhet ansvarig för förekomsten av atomer och molekyler. Det bestämmer många egenskaper hos ämnen i fast, flytande och gasformigt tillstånd. Coulomb-avstötningen av protoner leder till instabilitet hos kärnor med stora massantal. Den elektromagnetiska interaktionen bestämmer processerna för absorption och emission av fotoner av atomer och materiamolekyler och många andra processer i mikro- och makrovärldens fysik.

Svag interaktion är den långsammaste av alla interaktioner som sker i mikrokosmos. Alla elementarpartiklar, förutom fotoner, kan ta del av det.

Gravitationsinteraktion är inneboende i alla partiklar utan undantag, men på grund av de små massorna av elementarpartiklar är krafterna för gravitationsinteraktion mellan dem försumbart små och deras roll i mikrokosmos processer är obetydlig. Gravitationskrafter spelar en avgörande roll i samspelet mellan rymdobjekt (stjärnor, planeter, etc.) med deras enorma massor.

På 1930-talet uppstod en hypotes om att interaktioner i elementarpartiklarnas värld utförs genom utbyte av kvanta av något fält. Denna hypotes lades ursprungligen fram av våra landsmän I.E. Tamm och D.D. Ivanenko. De föreslog att grundläggande interaktioner uppstår från utbyte av partiklar, precis som den kovalenta kemiska bindningen av atomer uppstår från utbyte av valenselektroner, som kombineras på tomma elektronskal.

Interaktionen som utförs av utbytet av partiklar har fått i fysiken namnet på utbytesinteraktionen. Så till exempel uppstår den elektromagnetiska interaktionen mellan laddade partiklar som ett resultat av utbytet av fotoner - kvanta av det elektromagnetiska fältet.

Utbytesinteraktionsteorin fick ett erkännande efter att den japanske fysikern H. Yukawa teoretiskt visade 1935 att den starka interaktionen mellan nukleoner i atomkärnor kan förklaras genom att anta att nukleoner utbyter hypotetiska partiklar som kallas mesoner. Yukawa beräknade massan av dessa partiklar, som visade sig vara ungefär lika med 300 elektronmassor. Partiklar med en sådan massa upptäcktes senare faktiskt. Dessa partiklar kallas p-mesoner (pioner). Tre typer av pioner är för närvarande kända: p+, p- och p 0 .

År 1957 förutspåddes teoretiskt förekomsten av tunga partiklar, de så kallade vektorbosonerna W + , W - och Z 0 , vilket orsakade utbytesmekanismen för svag interaktion. Dessa partiklar upptäcktes 1983 i kolliderande strålexperiment med protoner och högenergiantiprotoner. Upptäckten av vektorbosoner var en mycket viktig bedrift inom elementär partikelfysik. Denna upptäckt markerade framgången för en teori som förenade de elektromagnetiska och svaga krafterna till en enda så kallad elektrosvag kraft. Denna nya teori betraktar det elektromagnetiska fältet och fältet för svag interaktion som olika komponenter i samma fält, i vilka, tillsammans med det elektromagnetiska fältets kvantum, vektorbosoner deltar.

Efter denna upptäckt, i modern fysik, har förtroendet för att alla typer av interaktion är nära besläktade med varandra och i huvudsak är olika manifestationer av ett visst enhetligt fält ökat avsevärt. Men förenandet av alla interaktioner är fortfarande bara en attraktiv vetenskaplig hypotes.

Teoretiska fysiker gör avsevärda ansträngningar i försök att på en enhetlig basis betrakta inte bara det elektromagnetiska och svaga, utan också det starka samspelet. Denna teori kallas den stora enandet. Forskare föreslår att gravitationsinteraktionen också måste ha sin egen bärare - en hypotetisk partikel som kallas graviton. Denna partikel har dock ännu inte upptäckts.

För närvarande anses det bevisat att ett enhetligt fält som förenar alla typer av interaktion endast kan existera vid extremt höga partikelenergier som är ouppnåeliga med moderna acceleratorer. Partiklar kunde ha så stora energier endast i de tidigaste stadierna av universums existens, som uppstod som ett resultat av den så kallade Big Bang. Kosmologi - vetenskapen om universums utveckling - antyder att Big Bang inträffade för 18 miljarder år sedan. Standardmodellen för universums utveckling antar att under den första perioden efter explosionen kan temperaturen nå 10 32 K och partikelenergin E = kT kan nå värden på 10 19 GeV. Under denna period existerade materia i form av kvarkar och neutriner, medan alla typer av interaktioner kombinerades till ett enda kraftfält. Gradvis, när universum expanderade, minskade partiklarnas energi, och gravitationsinteraktionen separerades först från det enhetliga fältet av interaktioner (vid partikelenergier på ≈ 10 19 GeV), och sedan separerade den starka interaktionen från den elektrosvaga (vid energier av storleksordningen 10 14 GeV). Vid energier i storleksordningen 10 3 GeV visade sig alla fyra typerna av fundamentala interaktioner vara separerade. Samtidigt med dessa processer fortsatte bildandet av mer komplexa former av materia - nukleoner, lätta kärnor, joner, atomer etc. Kosmologin i sin modell försöker spåra universums utveckling vid olika stadier av dess utveckling från Big Bang till idag, baserat på lagarna för elementarpartikelfysik, såväl som kärn- och atomfysik.

Elektron

Kanske dessa elektronvärldar, där det finns fem kontinenter, konst, kunskap, krig, troner och minnet av fyrtio århundraden!

Valery Bryusovs dikt "The World of the Electron" skrevs den 13 augusti 1922.

Historiskt sett var den första upptäckta elementarpartikeln elektronen - bäraren av den negativa elementära elektriska laddningen i atomer.

Detta är den "äldsta" elementarpartikeln. I ideologiska termer kom han in i fysiken 1881, när Helmholtz i ett tal till Faradays ära påpekade att materiens atomstruktur tillsammans med Faradays elektrolyslagar oundvikligen leder till tanken att den elektriska laddningen alltid måste vara en multipel av någon elementär laddning, dvs. till slutsatsen om kvantiseringen av elektrisk laddning. Bäraren av den negativa elementarladdningen, som vi nu vet, är elektronen.

Maxwell, som skapade den grundläggande teorin om elektriska och magnetiska fenomen och använde sig av Faradays experimentella resultat, accepterade inte hypotesen om atomelektricitet.

Samtidigt bekräftades den "tillfälliga" teorin om elektronens existens 1897 i JJ Thomsons experiment, där han identifierade de så kallade katodstrålarna med elektroner och mätte elektronens laddning och massa. Thomson kallade partiklarna i katodstrålar "kroppar" eller uratomer. Ordet "elektron" användes ursprungligen för att beteckna storleken på laddningen av "kroppen". Och först med tiden började själva partikeln kallas en elektron. Idén om elektronen accepterades dock inte omedelbart. När J. J. Thomson, upptäckaren av elektronen, i en föreläsning på Royal Society föreslog att partiklarna av katodstrålar skulle betraktas som möjliga komponenter i atomen, trodde några av hans kollegor uppriktigt att han mystifierade dem. Planck själv erkände 1925 att han inte fullt ut trodde då, 1900, på hypotesen om elektronen.

Vi kan säga det efter experimenten från Millikan, som mätte 1911. laddningar av enskilda elektroner fick denna första elementarpartikel rätten att existera.

Foton

Direkt experimentellt bevis på existensen av fotonen gavs av R. Millikan 1912-1915. i sina studier av den fotoelektriska effekten, samt A. Compton 1922, som upptäckte spridningen av röntgenstrålar med en förändring i deras frekvens.

En foton är på sätt och vis en speciell partikel. Faktum är att dess vilomassa, till skillnad från andra partiklar (förutom neutriner), är lika med noll. Därför ansågs det inte omedelbart vara en partikel: först trodde man att närvaron av en ändlig och icke-noll vilomassa är en obligatorisk egenskap hos en elementarpartikel.

En foton är ett "animerat" Planck-ljuskvantum, d.v.s. ett ljuskvantum som bär fart.

Ljuskvanter introducerades av Planck 1901 för att förklara lagarna för strålning från en helt svart kropp. Men han var inte partiklar, utan bara minsta möjliga "delar" av ljusenergi av en eller annan frekvens.

Även om Plancks antagande om att kvantisera ljusets energi stod helt i strid med all klassisk teori, förstod Planck själv inte omedelbart detta. Forskaren skrev att han "... försökte på något sätt införa värdet av h i ramarna för den klassiska teorin. Men trots alla sådana försök visade sig detta värde vara mycket envis." Därefter kallades detta värde för Plancks konstant (h=6*10 -27 erg. s).

Efter införandet av Plancks konstant blev situationen inte klarare.

Fotoner eller kvanter gjordes "levande" av Einsteins relativitetsteorin, som 1905 visade att kvantor måste ha inte bara energi, utan också rörelsemängd, och att de är partiklar i full mening, bara speciella, eftersom deras vilomassa är noll, och de rör sig med ljusets hastighet.

Så slutsatsen om förekomsten av en elektromagnetisk fältpartikel - en foton - kommer från M. Plancks arbete (1900). Om man antar att energin från den elektromagnetiska strålningen från en absolut svart kropp kvantiseras, fick Planck den korrekta formeln för strålningsspektrumet. A. Einstein (1905) utvecklade Plancks idé och postulerade att elektromagnetisk strålning (ljus) faktiskt är en ström av individuella kvanta (fotoner), och på grundval av detta förklarade han mönstren för den fotoelektriska effekten.

Proton

Protonen upptäcktes av E. Rutherford 1919 i studier av växelverkan mellan alfapartiklar och atomkärnor.

Mer exakt är upptäckten av protonen förknippad med upptäckten av atomkärnan. Den gjordes av Rutherford genom att bombardera kväveatomer med högenergi-b-partiklar. Rutherford drog slutsatsen att "kväveatomens kärna sönderfaller som ett resultat av de enorma krafter som utvecklas vid kollision med en snabb 6-partikel, och att den frigjorda väteatomen utgör en integrerad del av kvävekärnan." 1920 döptes väteatomens kärnor till protoner av Rutherford (proton betyder på grekiska den enklaste, primära). Det fanns andra förslag på namn. Så till exempel föreslogs namnet "baron" (baros på grekiska betyder tyngd). Det betonade dock bara en egenskap hos vätekärnan - dess massa. Termen "proton" var mycket djupare och mer meningsfull, vilket speglar protonens grundläggande natur, eftersom protonen är den enklaste kärnan - kärnan i den lättaste isotopen av väte. Detta är utan tvekan en av de mest framgångsrika termerna inom elementär partikelfysik. Således är protoner partiklar med en positiv enhetsladdning och en massa 1840 gånger massan av en elektron.

Neutron

En annan partikel som utgör kärnan, neutronen, upptäcktes 1932 av J. Chadwick när han studerade interaktionen mellan 6 partiklar och beryllium. Neutronen har en massa nära protonens, men har ingen elektrisk laddning. Upptäckten av neutronen fullbordade identifieringen av partiklar - de strukturella elementen i atomer och deras kärnor.

Upptäckten av isotoper klargjorde inte frågan om kärnans struktur. Vid den här tiden var bara protoner kända - vätekärnor och elektroner, och därför var det naturligt att försöka förklara existensen av isotoper med olika kombinationer av dessa positivt och negativt laddade partiklar. Man kan tro att kärnorna innehåller A-protoner, där A är masstalet, och A?Z-elektroner. I detta fall sammanfaller den totala positiva laddningen med atomnumret Z.

En sådan enkel bild av en homogen kärna motsade till en början inte slutsatsen om kärnans ringa storlek, som följde av Rutherfords experiment. Den "naturliga radien" för en elektron r0 \u003d e 2 /mc 2 (som erhålls genom att likställa den elektrostatiska energin e 2 /r0 för laddningen fördelad över det sfäriska skalet med elektronens mc 2 självenergi) är r0 \u003d 2,82 * 10 - 15 m. En sådan elektron är tillräckligt liten för att vara inuti en kärna med en radie på 10 - 14 m, även om det skulle vara svårt att placera ett stort antal partiklar där. År 1920 Rutherford och andra forskare övervägde möjligheten av en stabil kombination av en proton och en elektron, som reproducerar en neutral partikel med en massa som är ungefär lika med en protons. Men på grund av avsaknaden av en elektrisk laddning skulle sådana partiklar vara svåra att upptäcka. Det är osannolikt att de också skulle kunna slå ut elektroner från metallytor, som elektromagnetiska vågor under den fotoelektriska effekten.

Det var inte förrän ett decennium senare, efter att den naturliga radioaktiviteten hade undersökts grundligt och radioaktiv strålning började användas i stor utsträckning för att orsaka artificiell omvandling av atomer, som existensen av en ny beståndsdel i kärnan fastställdes tillförlitligt. År 1930 bestrålade W. Bothe och G. Becker vid universitetet i Giessen litium och beryllium med alfapartiklar och registrerade med hjälp av en geigerräknare den resulterande penetrerande strålningen. Eftersom denna strålning inte påverkades av elektriska och magnetiska fält, och den hade en hög penetrerande kraft, drog författarna slutsatsen att hård gammastrålning sänds ut. År 1932 upprepade F. Joliot och I. Curie experiment med beryllium och förde sådan genomträngande strålning genom ett paraffinblock. De fann att ovanligt högenergiprotoner emitterades från paraffinet och drog slutsatsen att gammastrålningen som passerade genom paraffinet producerade protoner som ett resultat av spridning. (1923 fann man att röntgenstrålar sprider sig på elektroner, vilket ger Compton-effekten)

J. Chadwick upprepade experimentet. Han använde också paraffin och med hjälp av en joniseringskammare, där laddningen som genererades när elektroner slogs ut ur atomer, samlades in, mätte han intervallet för rekylprotoner.

Chadwick använde också gasformigt kväve (i en molnkammare där vattendroppar kondenserar längs spåret av en laddad partikel) för att absorbera strålning och mäta intervallet för kväverekylatomer. Genom att tillämpa lagarna för bevarande av energi och momentum på resultaten av båda experimenten, kom han till slutsatsen att den detekterade neutrala strålningen inte är gammastrålning, utan en ström av partiklar med en massa nära en protons. Chadwick visade också att kända källor till gammastrålning inte slår ut protoner. Detta bekräftade existensen av en ny partikel, som nu kallas neutronen.

Klyvningen av metalliskt beryllium fortgick enligt följande: alfapartiklar av 4 2 He (laddning 2, massnummer 4) kolliderade med berylliumkärnor (laddning 4, massnummer 9), vilket resulterade i kol och en neutron. Upptäckten av neutronen var ett viktigt steg framåt. De observerade egenskaperna hos kärnor kunde nu tolkas genom att betrakta neutroner och protoner som beståndsdelar i kärnor. Neutronen är nu känd för att vara 0,1 % tyngre än protonen. Fria neutroner (utanför kärnan) genomgår radioaktivt sönderfall och förvandlas till en proton och en elektron. Detta påminner om den ursprungliga hypotesen om en sammansatt neutral partikel. Men inuti en stabil kärna är neutroner bundna till protoner och sönderfaller inte spontant.

Positron

Med början på 1930-talet och fram till 1950-talet upptäcktes nya partiklar främst i kosmiska strålar. År 1932, i deras sammansättning, upptäckte A. Anderson den första antipartikeln - positronen (e +) - en partikel med massan av en elektron, men med en positiv elektrisk laddning. Positronen var den första antipartikeln som upptäcktes. Existensen av e+ följde direkt av den relativistiska teorin om elektronen som utvecklades av P. Dirac (1928-31) strax före upptäckten av positronen. År 1936 Amerikanska fysiker K. Anderson och S. Neddermeyer upptäckte myoner (båda tecken på elektrisk laddning) i studiet av kosmisk strålning - partiklar med en massa på cirka 200 elektronmassor, men annars anmärkningsvärt lika i egenskaper som e-, e+.

Positroner (positiva elektroner) kan inte existera i materien, för när de saktar ner förintas de och förbinds med negativa elektroner. I denna process, som kan betraktas som den omvända processen för parproduktion, försvinner positiva och negativa elektroner, och fotoner bildas, till vilka deras energi överförs. Vid förintelsen av en elektron och en positron bildas i de flesta fall två fotoner, mycket mindre ofta - en foton. Enkelfotonförintelse kan endast ske när elektronen är starkt bunden till kärnan; kärnans deltagande i detta fall är nödvändigt för att bevara momentum. Två-fotonförintelse, tvärtom, kan också ske med en fri elektron. Ofta sker förintelseprocessen efter att positronen nästan helt har stannat. I detta fall emitteras två fotoner med lika energier i motsatta riktningar.

Positronen upptäcktes av Anderson när han studerade kosmiska strålar med molnkammarmetoden. Figuren, som är en reproduktion av ett fotografi taget av Anderson i en molnkammare, visar en positiv partikel som går in i en 0,6 cm tjock blyplatta med ett momentum på 6,3 * 107 eV/s och lämnar det med ett momentum på 2,3 * 107 eV /s med. Man kan sätta en övre gräns för massan av denna partikel, förutsatt att den bara förlorar energi vid kollisioner. Denna gräns är 20 mig. Baserat på detta och andra liknande fotografier antog Anderson förekomsten av en positiv partikel med en massa ungefär lika med en vanlig elektrons. Denna slutsats bekräftades snart av observationer av Blackett och Occhialini i en molnkammare. Kort därefter upptäckte Curie och Joliot att positroner produceras genom omvandling av gammastrålar från radioaktiva källor och även sänds ut av artificiella radioaktiva isotoper. Eftersom fotonen, som är neutral, bildar ett par (positron och elektron), följer det av principen om bevarande av elektrisk laddning att det absoluta värdet av positronens laddning är lika med elektronens laddning.

Den första kvantitativa bestämningen av positronens massa gjordes av Thibaut, som mätte förhållandet e/m med trochoidmetoden och drog slutsatsen att massorna av positronen och elektronen skiljer sig inte med mer än 15 %. Senare experiment av Spies och Zan, som använde en masspektrografisk uppställning, visade att massan av elektronen och positronen sammanfaller inom 2 %. Ännu senare mätte Dumond och hans medarbetare våglängden på förintelsestrålningen med stor noggrannhet. Upp till experimentella fel (0,2%) fick de värdet på våglängden, vilket bör förväntas under antagandet att positronen och elektronen har lika stora massor.

Lagen om bevarande av rörelsemängd som tillämpas på processen för parproduktion visar att positroner har ett halvt heltalsspinn och därför lyder Fermi-statistiken. Det är rimligt att anta att positronens spinn är 1/2, liksom elektronens spinn.

pioner och myoner. Meson upptäckt

Upptäckten av mesonen, till skillnad från upptäckten av positronen, var inte resultatet av en enda observation, utan snarare en slutsats från en hel serie experimentella och teoretiska studier.

År 1932 visade Rossi, med hjälp av den tillfällighetsmetod som Bothe och Kolhurster föreslagit, att en känd del av den kosmiska strålningen som observeras vid havsnivån består av partiklar som kan tränga igenom blyplattor upp till 1 m tjocka. Kort därefter uppmärksammade han också. till existensen i kosmiska strålar två olika komponenter. Partiklar av en komponent (den penetrerande komponenten) kan passera genom stora tjocklekar av materia, och graden av deras absorption av olika ämnen är ungefär proportionell mot massan av dessa ämnen. Partiklar av den andra komponenten (duschkomponenten) absorberas snabbt, särskilt av tunga element; i detta fall bildas ett stort antal sekundära partiklar (duschar). Molnkammarexperiment av Anderson och Neddemeyer på passage av kosmiska strålar genom blyplattor visade också att det finns två distinkta komponenter i kosmisk strålning. Dessa experiment visade att medan den genomsnittliga energiförlusten för kosmiska strålpartiklar i bly var i storleksordning av den teoretiskt beräknade kollisionsförlusten, upplevde vissa av dessa partiklar mycket större förluster.

År 1934 publicerade Bethe och Heitler teorin om strålningsförlust av elektroner och produktion av par av fotoner. Egenskaperna hos den mindre penetrerande komponenten som observerats av Anderson och Neddemeyer stämde överens med egenskaperna hos elektroner som förutspåtts av Bethes och Heitlers teori; i detta fall förklarades stora förluster av strålningsprocesser. Egenskaperna hos den duschbildande strålningen som upptäcktes av Rossi skulle också kunna förklaras genom att anta att denna strålning består av högenergielektroner och fotoner. Å andra sidan, samtidigt som man inser giltigheten av teorin om Bethe och Heitler, måste man dra slutsatsen att "penetrerande" partiklar i Rossis experiment och mindre absorberade partiklar i Andersons och Neddemeyers experiment skiljer sig från elektroner. Vi var tvungna att anta att de penetrerande partiklarna är tyngre än elektroner, eftersom energiförlusten för strålning enligt teorin är omvänt proportionell mot kvadraten på massan.

I samband med detta diskuterades möjligheten till kollaps av teorin om strålning vid höga energier. Som ett alternativ föreslog Williams 1934 att penetrerande partiklar av kosmisk strålning kan ha massan av en proton. En av svårigheterna förknippade med denna hypotes var behovet av existensen av inte bara positiva, utan också negativa protoner, eftersom molnkammarexperiment visade att de penetrerande partiklarna av kosmiska strålar har laddningar av båda tecknen. Dessutom, på några fotografier tagna av Anderson och Neddemeyer i en molnkammare, kunde man se partiklar som inte strålade som elektroner, men som dock inte var så tunga som protoner. I slutet av 1936 blev det alltså nästan uppenbart att kosmisk strålning förutom elektroner också innehöll partiklar av en hittills okänd typ, förmodligen partiklar med en massa som ligger mellan en elektrons och en protons. Det bör också noteras att 1935 förutspådde Yukawa, utifrån rent teoretiska överväganden, förekomsten av sådana partiklar.

Förekomsten av mellanmassapartiklar bevisades direkt 1937 genom experiment av Neddemeyer och Anderson, Street och Stevenson.

Neddemeyers och Andersons experiment var en fortsättning (med en förbättrad teknik) på de studier som nämnts ovan om energiförlusterna hos kosmiska strålpartiklar. De utfördes i en molnkammare placerad i ett magnetfält och delade i två halvor av en 1 cm tjock platinaplatta.Momentförlusten för individuella kosmiska strålpartiklar bestämdes genom att mäta spårets krökning före och efter plattan.

Absorberade partiklar kan lätt tolkas som elektroner. Denna tolkning stöds av det faktum att absorberade partiklar, till skillnad från penetrerande partiklar, ofta orsakar sekundära processer i platinaabsorbatorn och till största delen sker i grupper (två eller fler). Detta är precis vad man kunde förvänta sig, eftersom många av elektronerna som observerats i samma experimentella geometri som Neddemeyers och Andersons är en del av skurarna som bildas i den omgivande materien. När det gäller arten av de penetrerande partiklarna förklarade följande två resultat erhållna av Neddemeyer och Anderson mycket här.

ett). Trots att absorberade partiklar är relativt vanligare vid lågt moment, och penetrerande partiklar är det motsatta (mer frekventa vid högt momenta), finns det ett momentumintervall där både absorberade och penetrerande partiklar är representerade. Således kan skillnaden i beteendet hos dessa två typer av partiklar inte tillskrivas skillnaden i energier. Detta resultat utesluter möjligheten att betrakta de penetrerande partiklarna som elektroner, vilket förklarar deras beteende med orättvisan i teorin om strålning vid höga energier.

2). Det finns ett antal penetrerande partiklar med momenta mindre än 200 MeV/c som inte producerar mer jonisering än en enkelladdad partikel nära joniseringskurvans minimum. Det betyder att penetrerande kosmiska strålpartiklar är mycket lättare än protoner, eftersom en proton med en rörelsemängd mindre än 200 MeV/c producerar en specifik jonisering som är cirka 10 gånger den minsta.

Street och Stevenson försökte direkt uppskatta massan av kosmiska strålpartiklar genom att samtidigt mäta momentum och specifik jonisering. De använde en molnkammare, som styrdes av ett system med Geiger-Muller-räknare som var påslagna på grund av tillfälligheter. Detta uppnådde valet av partiklar nära slutet av deras intervall. Kammaren placerades i ett magnetfält med en styrka av 3500 gauss; Kammaren triggades med en fördröjning på cirka 1 sekund, vilket gjorde det möjligt att räkna droppar. Bland ett stort antal fotografier fann Street och Stevenson en av extremt intresse.

Det här fotografiet visar spåret av en partikel med en rörelsemängd på 29 MeV/c, vars jonisering är ungefär sex gånger den minsta. Denna partikel har en negativ laddning när den rör sig nedåt. Att döma av momentum och specifik jonisering är dess massa cirka 175 elektronmassor; ett troligt fel på 25 % beror på felaktigheten i mätningen av specifik jonisering. Observera att en elektron med ett momentum på 29 MeV/c har praktiskt taget minimal jonisering. Å andra sidan har partiklar med detta momentum och protonmassa (antingen en uppåtgående vanlig proton eller en nedåtgående negativ proton) en specifik jonisering som är cirka 200 gånger den minsta; dessutom måste räckvidden för en sådan proton i kammargasen vara mindre än 1 cm. Samtidigt är spåret i fråga tydligt synligt i 7 cm, varefter det lämnar den upplysta volymen.

Experimenten som beskrivits ovan visade förvisso att de penetrerande partiklarna verkligen är tyngre än elektroner, men lättare än protoner. Dessutom gav Street och Stevensons experiment den första grova uppskattningen av massan av denna nya partikel, som vi nu kan kalla med sitt vanliga namn, mesonen.

Så 1936 A. Anderson och S. Neddermeyer upptäckte myonen (m - meson). Denna partikel skiljer sig från elektronen endast i sin massa, som är ungefär 200 gånger större än elektronen.

År 1947 Powell observerade spår av laddade partiklar i fotografiska emulsioner, som tolkades som Yukawa-mesoner och benämndes p-mesoner eller pioner. Nedbrytningsprodukterna från laddade pioner, som också är laddade partiklar, kallades m-mesoner eller myoner. Det var negativa myoner som observerades i Conversis experiment: till skillnad från pioner interagerar myoner, liksom elektroner, inte starkt med atomkärnor.

Eftersom myoner med en strikt definierad energi alltid bildades under sönderfallet av stoppade pioner, följde det av detta att ytterligare en neutral partikel skulle bildas under övergången av p till m (dess massa visade sig vara mycket nära noll). Å andra sidan interagerar denna partikel praktiskt taget inte med materia, så man drog slutsatsen att den inte kan vara en foton. Således har fysiker stött på en ny neutral partikel vars massa är noll. Så en laddad Yukawa-meson upptäcktes, som sönderfaller till en myon och en neutrino. P-mesonlivslängden med avseende på detta sönderfall visade sig vara 2×10 -8 s. Sedan visade det sig att myonen också är instabil, att det till följd av dess sönderfall bildas en elektron. Myonens livslängd visade sig vara i storleksordningen 10 -6 s. Eftersom elektronen som bildas under myonens sönderfall inte har en strikt definierad energi drogs slutsatsen att tillsammans med elektronen bildas två neutriner under myonens sönderfall. År 1947, även inom kosmisk strålning, upptäckte S. Powells grupp p+ och p- mesoner med en massa av 274 elektronmassor, som spelar en viktig roll i interaktionen mellan protoner och neutroner i kärnor. Förekomsten av sådana partiklar föreslogs av H. Yukawa 1935.

Neutrino

Upptäckten av neutrinon, en partikel som knappast interagerar med materia, härstammar från den teoretiska gissningen av W. Pauli (1930), som gjorde det möjligt, genom att anta födelsen av en sådan partikel, att eliminera svårigheter med lagen om bevarande av energi i processerna för beta-sönderfall av radioaktiva kärnor. Förekomsten av neutriner bekräftades experimentellt först 1953 (F. Reines och K. Cowen, USA).

Under beta-sönderfallet av kärnor, som vi redan har sagt, flyger förutom elektroner också neutriner ut. Denna partikel "introducerades" först i fysiken teoretiskt. Det var existensen av neutrinon som postulerades av Pauli 1929, många år innan hans experimentella upptäckt (1956). Neutrino, en neutral partikel med noll (eller försumbart liten) massa, behövdes av Pauli för att rädda lagen om bevarande av energi i processen för beta-sönderfall av atomkärnor.

Till en början kallade Pauli den hypotetiska neutrala partikel som bildades under kärnans beta-sönderfall för neutronen (detta var före Chadwicks upptäckt) och föreslog att den var en del av kärnan.

Hur svårt det var att komma fram till hypotesen om neutriner, som bildas i själva verket av neutronsönderfall, kan åtminstone ses av det faktum att bara ett år före framträdandet av Fermis grundläggande artikel om egenskaperna hos svag interaktion, forskare använde termen "neutron" i en rapport om kärnfysikens nuvarande tillstånd för att beteckna de två partiklarna som nu kallas neutronen och neutrinon. "Till exempel, enligt Paulis förslag," säger Fermi, "skulle det vara möjligt att föreställa sig att det inuti atomkärnan finns neutroner som skulle sändas ut samtidigt med β-partiklar. Dessa neutroner skulle kunna passera genom stora tjocklekar av materia utan att förlora sina energi praktiskt taget, och därför skulle de vara praktiskt taget omöjliga att observera. Förekomsten av neutronen skulle utan tvekan helt enkelt kunna förklara några ännu obegripliga frågor, såsom statistik över atomkärnor, de avvikande inneboende ögonblicken för vissa kärnor, och kanske också, arten av penetrerande strålning." Faktum är att när det gäller en partikel som emitteras med β-elektroner och som absorberas dåligt av materia, är det nödvändigt att komma ihåg neutrinon. Man kan dra slutsatsen att 1932 var problemen med neutronen och neutrinon extremt förvirrade. Det tog ett år av hårt arbete av teoretiker och experimentörer för att lösa både grundläggande och terminologiska svårigheter.

"Efter upptäckten av neutronen," sa Pauli, "vid seminarier i Rom började Fermi kalla min nya partikel som släpptes ut under beta-sönderfall för "neutrino" för att skilja den från den tunga neutronen. Detta italienska namn har blivit allmänt accepterat."

På 1930-talet generaliserades Fermis teori till positronsönderfall (Wick, 1934) och till övergångar med en förändring i kärnans rörelsemängd (Gamow och Teller, 1937).

En neutrinos "öde" kan jämföras med en elektrons "öde". Båda partiklarna var från början hypotetiska - elektronen introducerades för att bringa materiens atomstruktur i linje med elektrolyslagarna, och neutrinon - för att rädda lagen om bevarande av energi i beta-sönderfallsprocessen. Och först långt senare upptäcktes de som riktiga.

1962 fann man att det finns två olika neutriner: elektron och myon. 1964, i neutrala K-mesons sönderfall, upptäcktes den så kallade icke-konserveringen. kombinerad paritet (introducerad av Li Tsung-tao och Yang Chen-ning och oberoende av L.D. Landau 1956), vilket innebär behovet av att revidera de vanliga synpunkterna på beteendet hos fysiska processer under driften av tidsreflektion.

Upptäckt av konstiga partiklar

Sent 40-tal - tidigt 50-tal. märktes av upptäckten av en stor grupp partiklar med ovanliga egenskaper, kallade "konstiga".De första partiklarna i denna grupp K + - och K- mesoner, L-, S + - , S - , X - hyperoner upptäcktes i kosmiska strålar, efterföljande upptäckter av konstiga partiklar gjordes på acceleratorer - installationer som skapar intensiva flöden av snabba protoner och elektroner.När de kolliderar med materia ger accelererade protoner och elektroner upphov till nya elementarpartiklar, som blir föremål för studier.

1947 observerade Butler och Rochester två partiklar, kallade V-partiklar, i en molnkammare. Två spår observerades, som om de bildar den latinska bokstaven V. Bildandet av två spår visade att partiklarna var instabila och sönderföll till andra, lättare. En av V-partiklarna var neutral och sönderföll till två laddade partiklar med motsatta laddningar. (Senare identifierades den med den neutrala K-mesonen, som sönderfaller till positiva och negativa pioner). Den andra laddades och sönderföll till en laddad partikel med en mindre massa och en neutral partikel. (Senare identifierades den med den laddade K+ mesonen, som sönderfaller till laddade och neutrala pioner).

V-partiklar tillåter vid första anblick en annan tolkning: deras utseende kan inte tolkas som ett sönderfall av partiklar, utan som en spridningsprocess. Faktum är att processerna för spridning av en laddad partikel genom en kärna med bildning av en laddad partikel i sluttillståndet, såväl som oelastisk spridning av en neutral partikel av en kärna med bildning av två laddade partiklar, kommer att se likadana ut i en molnkammare som sönderfallet av V-partiklar. Men en sådan möjlighet uteslöts lätt med motiveringen att spridningsprocesser är mer sannolika i tätare medier. Och V-händelser observerades inte i bly, som fanns i molnkammaren, utan direkt i själva kammaren, som är fylld med en gas med lägre densitet (jämfört med densiteten av bly).

Vi noterar att om den experimentella upptäckten av p-mesonen i någon mening var "förväntad" i samband med behovet av att förklara arten av nukleoninteraktioner, så visade sig upptäckten av V-partiklar, liksom upptäckten av myonen, bli en fullständig överraskning.

Upptäckten av V-partiklar och bestämningen av deras mest "elementära" egenskaper sträckte sig över mer än ett decennium. Efter den första observationen av dessa partiklar 1947. Rochester och Butler fortsatte sina experiment i ytterligare två år, men de misslyckades med att observera en enda partikel. Och först efter att utrustningen höjdes högt upp i bergen upptäcktes V-partiklar igen, liksom nya partiklar upptäcktes.

Som det visade sig senare visade sig alla dessa observationer vara observationer av olika sönderfall av samma partikel - K-mesonen (laddad eller neutral).

V-partiklarnas "beteende" vid födseln och efterföljande sönderfall ledde till att de kallades konstiga.

Konstiga partiklar erhölls först i laboratoriet 1954. Fowler, Shutt, Thorndike och Whitemore, som, med hjälp av en jonstråle från Brookhaven-kosmotronen med en initial energi på 1,5 GeV, observerade reaktionerna av associativ produktion av konstiga partiklar.

Från början av 50-talet. acceleratorer har blivit det främsta verktyget för att studera elementarpartiklar. På 70-talet. energierna hos partiklar som accelererades vid acceleratorer uppgick till tiotals och hundratals miljarder elektronvolt (GeV). Önskan att öka partiklarnas energier beror på att höga energier öppnar möjligheten att studera materiens struktur på de kortare avstånden, desto högre energi hos de kolliderande partiklarna. Acceleratorer ökade avsevärt hastigheten för att erhålla ny data och på kort tid utökade och berikade vår kunskap om mikrovärldens egenskaper. Användningen av acceleratorer för att studera konstiga partiklar gjorde det möjligt att studera deras egenskaper mer i detalj, i synnerhet egenskaperna hos deras förfall, och ledde snart till en viktig upptäckt: klarläggandet av möjligheten att ändra egenskaperna hos vissa mikroprocesser under spegelreflektion operation - den så kallade. kränkning av utrymmen, paritet (1956). Idrifttagandet av protonacceleratorer med energier på miljarder elektronvolt gjorde det möjligt att upptäcka tunga antipartiklar: antiprotonen (1955), antineutronen (1956) och antisigmahyperonerna (1960). 1964 upptäcktes det tyngsta hyperonet W - (med en massa på cirka två protonmassor).

Resonanser.

På 1960-talet ett stort antal extremt instabila (jämfört med andra instabila elementarpartiklar) partiklar, kallade "resonanser", upptäcktes vid acceleratorer. Massorna av de flesta resonanser överstiger massan av en proton. Den första av dem, D1 (1232), har varit känd sedan 1953. utgör huvuddelen av elementarpartiklar.

Den starka interaktionen mellan en p meson och en nukleon i ett tillstånd med en total isotopspinn på 3/2 och ett moment på 3/2 leder till uppkomsten av ett exciterat tillstånd av nukleonen. Detta tillstånd sönderfaller till en nukleon och en p-meson inom en mycket kort tid (i storleksordningen 10 -23 s). Eftersom detta tillstånd har väldefinierade kvanttal, såväl som stabila elementarpartiklar, var det naturligt att kalla det en partikel. För att betona den mycket korta livslängden för detta tillstånd, kom det och liknande kortlivade tillstånd att kallas resonans.

Nukleonresonans, upptäckt av Fermi 1952, kallades senare D 3/2 3/2 isobar (för att markera det faktum att spinn och isotopspinn hos D isobar är 3/2). Eftersom livslängden för resonanser är obetydlig kan de inte observeras direkt, på samma sätt som den "vanliga" protonen, p-mesoner och myoner observeras (genom sina spår i spåranordningar). Resonanser detekteras av det karakteristiska beteendet hos spridningstvärsnitten av partiklar, såväl som genom att studera egenskaperna hos deras sönderfallsprodukter. De flesta av de kända elementarpartiklarna tillhör gruppen resonanser.

Upptäckten av D-resonans var av stor betydelse för elementarpartiklarnas fysik.

Observera att exciterade tillstånd eller resonanser inte är absolut nya objekt i fysiken. Tidigare var de kända inom atom- och kärnfysik, där deras existens är förknippad med den sammansatta naturen hos atomen (bildad av kärnan och elektroner) och kärnan (bildad av protoner och neutroner). När det gäller egenskaperna hos atomära tillstånd, bestäms de endast av den elektromagnetiska interaktionen. De låga sannolikheterna för deras sönderfall är förknippade med den elektromagnetiska interaktionskonstantens litenhet.

Exciterade tillstånd existerar inte bara för nukleonen (i detta fall talar de om dess isobariska tillstånd), utan också för p-mesonen (i det här fallet talar de om mesonresonanser).

"Orsaken till uppkomsten av resonanser i starka interaktioner är obegriplig", skriver Feynman, "till en början antog inte teoretiker att det fanns resonanser i fältteorin med en stor kopplingskonstant. Senare insåg de att om kopplingskonstanten är stor nog, då uppstår isobariska tillstånd. Men den verkliga innebörden av det faktum att det finns resonanser för den grundläggande teorin förblir oklart."

Liknande dokument

1600-talsbakgrund. Historia och teknikbegreppet. Några upptäckter som vittnar om den vetenskapliga och tekniska revolutionen (NTR). Nya fenomen i kulturen på 1800- och 1900-talen. Globala problem under 20-2000-talet. Egenskaper för den vetenskapliga och tekniska revolutionen, betydelse och koncept.

abstrakt, tillagt 2009-06-22


Grundläggande begrepp och ämne för sociologi, de viktigaste milstolparna i dess utveckling. Antikens första sociologer. Klassisk västerländsk sociologi. Drag av lärorna från Comte och Durkheim. Historien om utvecklingen av sociologi i Ryssland. Politiskt ledarskap och dess huvudtyper.

test, tillagt 2011-07-27


Begreppet informella och deras huvuddrag. Den informella ungdomsrörelsens historia, orsakerna till dess uppkomst. Amatörföreningarnas huvudfunktioner. Klassificering av informella personer, deras verksamhet, samhällsorientering, synpunkter, uppgifter och mål.

abstrakt, tillagt 2011-08-16


Den informella rörelsens historia, orsakerna till dess uppkomst. Informella rörelser: allmänna egenskaper och huvudsakliga utvecklingstrender. Informella om konstnärlig inriktning. Den yttre kulturens sfär. Klassificering och huvuddrag hos informella personer.

abstrakt, tillagt 2011-01-22


Detaljerna och historien om utvecklingen av ryska ideella organisationer. Bildandet av det ryska systemet för lagstiftning om ideella organisationer. Klassificering av underofficerare, deras mål och verksamhetsprinciper. Principen om allmännyttan. Typologi för ryska icke-statliga organisationer.

test, tillagt 2016-12-27


Kärnan och huvudorsakerna till självmord, en bedömning av förekomsten av detta negativa fenomen i den moderna världen. Historien om bildandet och utvecklingen av begreppet självmord i Japan, dess moraliska, etiska, kulturella motivering. Kamikaze-fenomenet.

terminsuppsats, tillagd 2013-12-29


Vad är förmågor och deras klassificering. Nivåer av förmågasutveckling: förmåga, begåvning, talang, geni; deras ursprung: genetiskt och förvärvat. Förutsättningar för utveckling av förmågor. Förmågors inflytande på val av yrke.

vetenskapligt arbete, tillagt 2009-02-25


Historien om de "sovjetiska" leksakerna. Sociologisk aspekt av övervägande av leksaker. Värdet av moderna leksaker för samhället. Du måste se vad och hur ditt barn spelar. Var ett exempel för ditt barn. Väx med honom.

terminsuppsats, tillagd 2006-06-23


Amatörföreningar, deras förhållande till statliga och offentliga institutioner. Historia och orsaker till den informella rörelsen. Koncept, uppgifter, mål, extern kultur, symboler, huvuddrag och klassificering av informella.

abstrakt, tillagt 2013-04-03


Självmord som socialt fenomen, identifiering av dess främsta orsaker, spridningsgrad i det moderna samhället, historia och forskningsstadier. Problemet med självmord enligt Emile Durkheim, klassificering av deras typer. Tillämpning av principerna för "sociologi".