Познающие мир Феномен и парадокс человека

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Большая Советская Энциклопедия в сокращениях

Введение

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ, в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии "элементарные частицы" в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие "элементарные частицы" сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19 - 20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности" в этом случае придётся отказаться. Существование элементарных частиц - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

Термин "элементарные частицы" часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода - протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо упоминавшихся протона (p), нейтрона (n) и электрона (е-) к ней относятся: фотон (Y), пи-мезоны (л), мюоны (м), нейтрино трёх типов (электронное vе, мюонное vw и связанное с так называемым тяжёлым лептоном VT), так называемые странные частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, открытые в 1974 - 77годах ф-частицы, "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (I") и тяжёлые лептоны +, т-) - всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами (см. ниже). Использование названия "элементарные частицы" ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственными известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля - фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, так как они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна. Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно разрушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют "субъядерными частицами"). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории элементарных частиц. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название "элементарные частицы" за ними сохранилось. В соответствии со сложившейся практикой термин "элементарные частицы" будет употребляться ниже в качестве общего названия субъядерных частиц. В тех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости будет использоваться термин "истинно элементарные частицы".

Характеристики элементарных частиц

Каждая элементарная частица, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах элементарной частицы, и задают только их, опуская единицы измерения. Общими характеристиками всех элементарных частиц. являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы элементарных частиц и существует ли для них какая-то единица измерения. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t = 5 • 1021 лет), протон (t = 2•1030 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их время жизни 10-20сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называют элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерное время жизни 10-23 - 10-2 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой = 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений ~ 10-20 сек.

МОЛЕКУЛА (новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles - масса), наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. молекула состоит из атомов, точнее - из атомных ядер, окружающих их внутренних электронов и внешних валентных электронов, образующих химические связи (см.Валентность). Внутренние электроны атомов обычно не участвуют в образовании химических связей. Состав и строение молекул данного вещества не зависят от способа его получения. В случае одноатомных молекул (например, инертных газов) понятия молекулы и атома совпадают.

АТОМ (от греч. atomos - неделимый), частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому элементу соответствует определённый род атомов, обозначаемых символом элемента (например, атом водорода Н; атом железа Fe; атом ртути Hg; атом урана U).

Класс Символ частицы Масса покоя МэВ Спин в единицах h Время жизни, с Виды распада
Фотон 0 1 Стабилен  
Лептоны Электронные, нейтрино и антинейтрино 0 1/2 Стабильны Нейтрино характерна крайне высокая проникающая способность, позволяющая этой частице свободно проходить сквозь Землю и Солнце.
Мюонные, нейтрино и антинейтрино 0 1/2
Электрон и позитрон 0,511 1/2 Стабильны    
Мюоны с отрицательным и - положительным электрическим зарядом 105,66 1/2 2,2·10-6 Слабые взаимодействия мюонов вызывают их распад по схеме:
Мезоны Пи-мезоны с отрицательным и - положительным электрическим зарядом 139,57 0 2,6·10-8  
 
Пи-мезон с нулевым электрическим зарядом 134,96 0 0,8·10-16  
К-мезоны с отрицательным и - положительным электрическим зарядом 493,7 0 1,2·10-8  
 
 
 
Барионы Протон и антипротон 938,28 1/2 Стабильны Массы и спины антипротона и протона равны, а электрические заряды и магнитные моменты одинаковы по абсолютному значению, но противоположны по знаку.
Нейтрон и антинейтрон 939,57 1/2 15 минут Нейтрон и антинейтрон имеют нулевые электрические заряды и одинаковую массу, а их магнитные моменты одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Нейтрон превращается в протон с излучением электрона и электронного антинейтрино.

Рис. 2 Таблица свойств некоторых элементарных частиц.

ПРОТОН (от греч. protos - первый; символ р), стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Протон имеет массу mp = (1,6726485±0,0000086)10-24 г (или mp ~1836 me ~ 938,3 Мэв/с2 , где me - масса электрона, с - скорость света) и положительный электрический заряд е = (4,803242 ± ±0,000014) . 10-10 единиц заряда в системе СГС. Спин протона равен 1/2 (в единицах Планка постоянной h), и как частица с полуцелым спином протон подчиняется Ферми - Дирака статистике (является фермионом). Магнитный момент протона равен mp = (2,7928456 + 0,0000011) µя, где µя - ядерный магнетон. Вместе с нейтронами протоны образуют ядра атомные всех химических элементов, при этом число протона в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе элементов. Свободные протоны составляют основную часть первичной компоненты космических лучей. Существует античастица по отношению к протону - антипротон.

Представление о протоне возникло в 1910-х гг. в виде гипотезы о том, что все ядра составлены из ядер атома водорода. В 1919-20 Э. Резерфорд экспериментально наблюдал ядра водорода, выбитые альфа-частицами из ядер других элементов; он же в начале 20-х гг. ввёл термин "протон". Трудность, заключающаяся в том, что атомные номера элементов меньше их атомных масс, была окончательно устранена лишь в 1932 открытием нейтрона.

Протон является сильно взаимодействующей частицей (адроном) и относится к "тяжёлым" адронам - барионам; барионный заряд протона В=+1. Закон сохранения барионного заряда объясняет стабильность протона - самого лёгкого из барионов. Протоны участвуют также во всех других видах фундаментальных взаимодействий элементарных частиц - электромагнитном, слабом и гравитационном. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют совершенно одинаковые свойства и поэтому рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона. Возможность объединения адронов в такого рода семейства частиц с общими свойствами - изотопические мультиплеты (см. Изотопическая инвариантность) - учитывается введением квантового числа "изотопический спин"; изотопический спин нуклона I = 1/2. Важнейшим примером сильного взаимодействия с участием протона являются ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре. Экспериментальное исследование сильного взаимодействия в большой мере основано на опытах по рассеянию протонов и мезонов на протонах, в которых были открыты, в частности, новые сильно взаимодействующие частицы - антипротон, гипероны, резонансы. Теоретическое объяснение свойств протона затруднено отсутствием удовлетворительной теории сильного взаимодействия. Общий подход, который даёт лишь качественное объяснение, состоит в предположении, что протон окружён "облаком" виртуальных частиц, которые он непрерывно испускает и поглощает. Сильное взаимодействие протона с другими частицами рассматривается как процесс обмена виртуальными адронами (см. Сильные взаимодействия, Множественные процессы).

НЕЙТРОН (англ, neutron, от лат. neuter - ни тот, ни другой; символ n), нейтральная (не обладающая электрическим зарядом) элементарная частица со спином 1/2 (в единицах постоянной Планка h) и массой, незначительно превышающей массу протона. Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные. Магнитный момент нейтрона равен примерно двум ядерным магнетонам и отрицателен, то есть направлен противоположно механическому, спиновому, моменту количества движения. Нейтроны относятся к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов) и входят в группу барионов, то есть обладают особой внутренней характеристикой - барионным зарядом, равным, как и у протона (р), + 1. Hейтрон были открыты в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком, который установил, что обнаруженное немецкими физиками В. Боте и Г. Бекером проникающее излучение, возникающее при бомбардировке атомных ядер (в частности, бериллия) альфа-частицами, состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.

ЭЛЕКТРОН (символ е~, е), первая элементарная частица, открытая в физике; материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе. Электрон - составная часть атомов; их число в нейтральном атоме равно атомному номеру, то есть числу протонов в ядре. Современные значения заряда (е) и массы (me) электрона равны: е = -4,803242(14)·10-10 ед. СГСЭ = -1,6021892(46)·10-19 кулон, m = 0,9109534(47)·10-27 г. = 0,5110034(14) Мэв/с2 где с - скорость света в вакууме (в скобках после числовых значений величин указаны средне квадратичные ошибки в последних значащих цифрах). Спин электрона равен 1/2 (в единицах Планка постоянной h), и, следовательно, электрон подчиняются Ферми - Дирака статистике. Магнитный момент электрона - мe = l,0011596567(35)µ0, где µ0 - магнетон Бора. Электрон - стабильная частица и относится к классу лептонов.

НЕЙТРИНО (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone - нейтрон), электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона (возможно равной нулю), спином 1/2 (в единицах постоянной Планка h) и исчезающе малым, по-видимому нулевым, магнитным моментом. Hейтрино принадлежит к группе лептонов, а по своим статистическим свойствам относится к классу фермионов.

ФОТОН (от греч. phos, род. падеж photоs - свет), элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле - света). Масса покоя m0 фотона равна нулю (из опытных данных следует, что во всяком случае m0 <= 4·10-21me, где me - масса электрона), и поэтому его скорость равна скорости света с=3·1010см/сек. Спин (собственный момент количества движения) фотона равен 1 (в единицах h = h/2п, где h = 6,624·10-27 эрг·сек - постоянная Планка), и, следовательно, фотон относится к бозонам. Частица со спином J и ненулевой массой покоя имеет 2J + 1 спиновых состояний, различающихся проекцией спина, но в связи с тем, что у фотона m0 = 0, он может находиться только в двух спиновых состояниях с проекциями спина на направление движения ±1; этому свойству фотона в классической электродинамике соответствует поперечность электромагнитной волны. Так как не существует системы отсчёта, в которой фотон покоится, ему нельзя приписать определённой внутренней чётности. По электрической и магнитной мультипольностям системы зарядов (2l-поля; см. Мулътиполъ), излучившей данный фотон, различают состояния фотона электрического и магнитного типа; чётность электрического мультипольного фотона равна (-1)1, магнитного (-1)1+1. Фотон - абсолютно (истинно) нейтральная частица и поэтому обладает определённым значением зарядовой чётности (см. Зарядовое сопряжение), равным -1. Кроме электромагнитного взаимодействия, фотон участвует в гравитационном взаимодействии.

ГИПЕРОНЫ (от греч. hyper - сверх, выше), тяжёлые нестабильные элементарные частицы с массой, большей массы нуклона (протона и нейтрона), обладающие барионным зарядом и большим временем жизни по сравнению с "ядерным временем" Известно несколько типов гиперонов: лямбда, сигма, кси, омега.

НУКЛОНЫ (от лат. nucleus - ядро), общее наименование для протонов и нейтронов - частиц, образующих ядра атомные. Смотрите также Изотопическая инвариантностъ.

БАРИОНЫ (от греч. barys - тяжёлый), группа тяжёлых элементарных частиц с полуцелым спином и массой не меньше массы протона. К барионам относятся протон и нейтрон (частицы, образующие атомные ядра), гипероны, а также барионные резонансы. Название "барион" связано с тем, что самый лёгкий из них - протон - в 1836 раз тяжелее электрона. Единственным стабильным барионом является протон; все остальные барионы нестабильны и путём последовательных распадов превращаются в протон и лёгкие частицы. (Нейтрон в свободном состоянии - нестабильная частица, однако в связанном состоянии внутри атомных ядер он стабилен.) Барионы участвуют во всех известных элементарных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном (см. Элементарные частицы, Тяготение). Наличие у барионов сильного взаимодействия приводит к тому, что они активно взаимодействуют с атомными ядрами.

ФЕРМИОНЫ, ферми-частица, частица или элементарное возбуждение квантовой системы многих частиц - квазичастица, обладающая полуцелым спином. К фермионам относятся все барионы (протон, нейтрон, гипероны и др.) и лептоны (электрон, мюон, нейтрино) и их античастицы, а также такие квазичастицы, как, например, электронное и дырочное возбуждения в твёрдом теле. Связанные системы из нечётного числа фермионов (атомные ядра с нечётным атомным номером, атомы с нечётной разностью атомного номера и числа электронов и др.) тоже являются фермионами. Для фермионов справедлив Паули принцип; соответственно, системы тождественных фермионов подчиняются Ферми - Дирака статистике.

АДРОНЫ, общее наименование для элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. В класс адронов входят протон, нейтрон, гипероны, мезоны, а также все резонансные частицы (см. Элементарные частицы).

МЕЗОНЫ, нестабильные элементарные частицы, принадлежащие к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов); в отличие от барионов мезоны не имеют барионного заряда и обладают нулевым или целочисленным спином (являются бозонами). Название "мезон" (от греч. mesos - средний, промежуточный) связано с тем, что массы первых открытых мезонов - пи-мезона, К-мезона - имеют значения, промежуточные между массами протона и электрона. (Мюоны, первоначально названные мю-мезонами, не относятся к мезонам, так как имеют спин Ч2 и не участвуют в сильных взаимодействиях.) В дальнейшем было открыто много других мезонов с очень малыми временами жизни (так называемые бозонные резонансы), причём масса некоторых из них превышает массу протона. Мезоны являются переносчиками ядерных сил. Особенно интенсивно мезоны рождаются при столкновениях адронов высокой энергии. Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положительным или отрицательным элементарным электрическим зарядом), с нулевой (например, п-мезоны) и ненулевой (например, К-мезоны) странностью и т. д. Мезоны с изотопическим спином О, образуют соответственно изотопические синглеты, дублеты и триплеты (см. Изотопическая инвариантность). По современной классификации элементарных частиц, мезоны с близкими свойствами (по отношению к процессам, вызванным сильным взаимодействием) объединяются в группы (супермульти-плеты"), состоящие из 8, 9 и 10 частиц (см. Элементарные частицы).

БОЗОН, бозе-частица, частица с нулевым или целочисленным спином. Бозоны подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (отсюда - название частицы). К бозонам относятся световые кванты - фотоны (спин 1), кванты поля тяготения (если они существуют) - гравитоны (спин 2), нестабильные элементарные частицы-мезоны и бозонные резонансы, а также составные частицы из чётного числа фермионов (частиц с полуцелым спином), например, атомные ядра с чётным суммарным числом протонов и нейтронов (дейтрон, ядро 4Не - альфа-частица и т. д.), молекулы газов. Бозонами являются также квазичастицы с целым (или нулевым) спином, например, фононы в твёрдом теле и в жидком 4Не, экситоны - в полупроводниках и диэлектриках.

ФОНОН (от греч. phone - звук), квант колебательного движения атомов кристалла. Колебания атомов кристалла благодаря взаимодействию между ними распространяются по кристаллу в виде волн, каждую из которых можно охарактеризовать квазиволновым вектором k и частотой w, зависящей от k : w = wv(k), где индекс v =1,2,...,3r (r - число атомов в элементарной ячейке кристалла) обозначает тип колебания (см. Колебания кристаллической решётки).

ЛЕПТОНЫ, класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, то есть участвующих лишь в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях. К лептонам относятся электрон, мюон, электронное и мюонное нейтрино и соответствующие им античастицы. Все лептоны имеют спин 1/2 то есть являются фермионами. Название "лептоны" (от греч. leptos - тонкий, лёгкий) связано с тем, что их масса меньше масс всех других частиц (кроме фотона). Подробнее смотрите Элементарные частицы.

КВАРКИ, гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны). Гипотеза о существовании кварков была высказана в 1964 независимо американским физиком M. Гелл-Маном и австрийским физиком Г. Цвейгом с целью объяснения закономерностей, установленных для адронов. У названия "кварк" нет точного перевода, оно имеет литературное происхождение (было заимствовано M. Гелл-Маном из романа Дж. Джойса "Поминки по Финегану", где означало нечто неопределённое, мистическое). Такое название для частиц, очевидно, было выбрано потому, что кваркам необходимо приписать ряд необычных свойств выделяющих их из всех известных элементарных частиц (например, дробный электрический заряд).

Система человека
Hosted by uCoz