Im Universum lebt jeder Körper in seiner eigenen Zeit und die grundlegenden Elementarteilchen ebenfalls. Die Lebensdauer der meisten Elementarteilchen ist ziemlich kurz.
Einige zerfallen unmittelbar nach ihrer Geburt, weshalb wir sie instabile Teilchen nennen.
Sie zerfallen nach kurzer Zeit in stabile: Protonen, Elektronen, Neutrinos, Photonen, Gravitonen und ihre Antiteilchen.
Die wichtigsten Mikroobjekte in unserem engen Raum - Protonen und Elektronen. Einige der entfernten Teile des Universums können aus Antimaterie bestehen, die wichtigsten Teilchen dort werden ein Antiproton und ein Antielektron (Positron) sein.
Insgesamt wurden mehrere hundert Elementarteilchen entdeckt: Proton (p), Neutron (n), Elektron (e-), sowie Photon (g), Pi-Mesonen (p), Myonen (m), Neutrinos von drei Typen (elektronisch v e, Myon v m , mit Lepton v t) usw. offensichtlich werden sie mehr neue Mikropartikel bringen.
Aussehen der Partikel:
Protonen und Elektronen
Das Auftreten von Protonen und Elektronen reicht etwa zehn Milliarden Jahre zurück.
Eine andere Art von Mikroobjekten, die eine bedeutende Rolle in der Struktur des nahen Weltraums spielen, sind Neutronen, die einen gemeinsamen Namen mit einem Proton haben: Nukleonen. Neutronen selbst sind instabil, sie zerfallen etwa zehn Minuten nach ihrer Entstehung. Sie können nur im Kern eines Atoms stabil sein. In den Tiefen der Sterne, wo die Atomkerne aus Protonen entstehen, entsteht ständig eine große Anzahl von Neutronen.
Neutrino
Im Universum findet auch ständig die Geburt von Neutrinos statt, die einem Elektron ähneln, jedoch ohne Ladung und mit geringer Masse. 1936 wurde eine Vielzahl von Neutrinos entdeckt: Myon-Neutrinos, die bei der Umwandlung von Protonen in Neutronen, in den Tiefen supermassereicher Sterne und beim Zerfall vieler instabiler Mikroobjekte entstehen. Sie werden geboren, wenn kosmische Strahlen im interstellaren Raum kollidieren.
Der Urknall führte zum Auftreten einer großen Anzahl von Neutrinos und Myon-Neutrinos. Ihre Zahl im Weltraum nimmt ständig zu, weil sie von fast keiner Materie absorbiert werden.
Photonen
Wie Photonen füllen Neutrinos und Myon-Neutrinos den gesamten Raum aus. Dieses Phänomen wird als „Neutrinomeer“ bezeichnet.
Seit dem Urknall sind sehr viele Photonen übrig geblieben, die wir als Relikt oder Fossil bezeichnen. Sie sind mit dem gesamten Weltraum gefüllt, und ihre Frequenz und daher die Energie nimmt ständig ab, während sich das Universum ausdehnt.
Derzeit sind alle kosmischen Körper, vor allem Sterne und Nebel, an der Entstehung des Photonenanteils des Universums beteiligt. Photonen werden auf der Oberfläche von Sternen aus der Energie von Elektronen geboren.
Partikelverbindung
In der Anfangsphase der Entstehung des Universums waren alle grundlegenden Elementarteilchen frei. Dann gab es keine Atomkerne, keine Planeten, keine Sterne.
Atome und daraus Planeten, Sterne und alle Substanzen entstanden später, als 300.000 Jahre vergangen waren und die glühende Materie während der Expansion ausreichend abgekühlt war. 
Nur Neutrino, Myon, Neutrino und Photon sind in kein System eingetreten: Ihre gegenseitige Anziehung ist zu schwach. Sie sind freie Teilchen geblieben.
Bereits in der Anfangsphase der Entstehung des Universums (300.000 Jahre nach seiner Geburt) verbanden sich freie Protonen und Elektronen zu Wasserstoffatomen (ein Proton und ein Elektron, die durch eine elektrische Kraft verbunden sind).
Das Proton gilt als das wichtigste Elementarteilchen mit einer Ladung von +1 und einer Masse von 1,672 10 −27 kg (etwas weniger als 2000-mal schwerer als ein Elektron). Die Protonen, die sich in einem massereichen Stern befanden, verwandelten sich allmählich in das Hauptgebäude "Eisen" des Universums. Jeder von ihnen gab ein Prozent seiner Ruhemasse ab. In supermassereichen Sternen, die durch ihre eigene Schwerkraft am Ende ihres Lebens auf kleine Volumina schrumpfen, kann ein Proton fast ein Fünftel seiner Ruheenergie (und damit ein Fünftel seiner Ruhemasse) verlieren.Es ist bekannt, dass die „Bausteine“ des Universums Protonen und Elektronen sind.
Wenn sich schließlich ein Proton und ein Antiproton treffen, entsteht kein System, sondern ihre gesamte Ruheenergie wird in Form von Photonen freigesetzt (). 
Wissenschaftler behaupten, dass es auch ein gespenstisches elementares Elementarteilchen Graviton gibt, das eine dem Elektromagnetismus ähnliche Gravitationswechselwirkung trägt. Die Existenz eines Gravitons ist jedoch nur theoretisch bewiesen.
So entstanden die wichtigsten Elementarteilchen und repräsentieren heute unser Universum, einschließlich der Erde: Protonen, Elektronen, Neutrinos, Photonen, Gravitonen und viele weitere entdeckte und unentdeckte Mikroobjekte.
Diese drei Teilchen (sowie andere unten beschriebene) ziehen sich gegenseitig an und stoßen sich entsprechend ihrer ab Gebühren, das sind nur vier Typen nach der Anzahl der fundamentalen Naturkräfte. Ladungen können wie folgt in der Reihenfolge abnehmender entsprechender Kräfte angeordnet werden: Farbladung (Wechselwirkungskräfte zwischen Quarks); elektrische Ladung (elektrische und magnetische Kräfte); schwache Ladung (Stärke bei einigen radioaktiven Prozessen); schließlich Masse (Schwerkraft oder Gravitationswechselwirkung). Das Wort „Farbe“ hat hier nichts mit der Farbe des sichtbaren Lichts zu tun; es ist einfach eine Eigenschaft der stärksten Ladung und der größten Kräfte.
Gebühren fortdauern, d.h. Die Ladung, die in das System eintritt, ist gleich der Ladung, die es verlässt. Wenn die elektrische Gesamtladung einer bestimmten Anzahl von Teilchen vor ihrer Wechselwirkung beispielsweise 342 Einheiten beträgt, beträgt sie nach der Wechselwirkung unabhängig von ihrem Ergebnis 342 Einheiten. Dies gilt auch für andere Ladungen: Farbe (starke Wechselwirkungsladung), schwach und Masse (Masse). Teilchen unterscheiden sich in ihren Ladungen: Sie „sind“ im Wesentlichen diese Ladungen. Gebühren sind sozusagen ein „Zertifikat“ für das Recht, auf die entsprechende Streitmacht zu reagieren. Somit werden nur farbige Partikel von Farbkräften beeinflusst, nur elektrisch geladene Partikel werden von elektrischen Kräften beeinflusst und so weiter. Die Eigenschaften eines Teilchens werden durch die größte auf ihn einwirkende Kraft bestimmt. Nur Quarks sind Träger aller Ladungen und unterliegen daher der Wirkung aller Kräfte, unter denen die Farbe dominiert. Elektronen haben alle Ladungen außer Farbe, und die dominierende Kraft für sie ist die elektromagnetische Kraft.
Am stabilsten in der Natur sind in der Regel neutrale Teilchenkombinationen, bei denen die Ladung von Teilchen eines Zeichens durch die Gesamtladung von Teilchen eines anderen Zeichens kompensiert wird. Dies entspricht der Mindestenergie des Gesamtsystems. (In ähnlicher Weise liegen zwei Stabmagnete in einer Linie, wobei der Nordpol des einen dem Südpol des anderen zugewandt ist, was einem Minimum an Magnetfeldenergie entspricht.) Die Gravitation ist eine Ausnahme von dieser Regel: Es gibt keine negative Masse. Es gibt keine Körper, die herunterfallen würden.
Arten von Materie
Gewöhnliche Materie wird aus Elektronen und Quarks gebildet, die zu farbneutralen und dann elektrisch geladenen Objekten gruppiert werden. Die Farbkraft wird neutralisiert, wie weiter unten ausführlicher erörtert wird, wenn die Teilchen zu Tripletts kombiniert werden. (Daher der Begriff „Farbe“ selbst aus der Optik: Die drei Grundfarben ergeben, wenn sie gemischt werden, Weiß.) Quarks, für die die Farbkraft dominant ist, bilden also Tripletts. Aber Quarks, und sie sind unterteilt in u-quarks (von Englisch nach oben - oben) und d-Quarks (vom Englischen down - niedriger), sie haben auch eine elektrische Ladung gleich u-Quark und für d-Quark. Zwei u-quark und eins d-Quark geben eine elektrische Ladung +1 und bilden ein Proton und eins u-Quark und zwei d-Quarks geben keine elektrische Ladung ab und bilden ein Neutron.
Stabile Protonen und Neutronen, die durch die verbleibenden Farbkräfte der Wechselwirkung zwischen ihren Quark-Bestandteilen voneinander angezogen werden, bilden einen farbneutralen Atomkern. Aber die Kerne tragen eine positive elektrische Ladung und neigen dazu, ein neutrales Atom zu bilden, indem sie negative Elektronen anziehen, die sich wie Planeten um die Sonne um den Kern drehen. Elektronen in ihren Umlaufbahnen werden vom Kern in Abständen entfernt, die zehntausendmal größer sind als der Radius des Kerns - ein Beweis dafür, dass die elektrischen Kräfte, die sie halten, viel schwächer sind als die nuklearen. Aufgrund der Kraft der Farbwechselwirkung sind 99,945 % der Masse eines Atoms in seinem Kern eingeschlossen. Gewicht u- und d-Quarks haben etwa die 600-fache Masse eines Elektrons. Daher sind Elektronen viel leichter und beweglicher als Kerne. Ihre Bewegung in Materie verursacht elektrische Phänomene.
Es gibt mehrere hundert natürliche Arten von Atomen (einschließlich Isotopen), die sich in der Anzahl der Neutronen und Protonen im Kern und dementsprechend in der Anzahl der Elektronen in Umlaufbahnen unterscheiden. Das einfachste ist das Wasserstoffatom, bestehend aus einem Kern in Form eines Protons und einem einzelnen Elektron, das sich darum dreht. Alle „sichtbare“ Materie in der Natur besteht aus Atomen und teilweise „zerlegten“ Atomen, die Ionen genannt werden. Ionen sind Atome, die, nachdem sie einige Elektronen verloren (oder gewonnen) haben, geladene Teilchen geworden sind. Materie, die fast aus einem Ion besteht, nennt man Plasma. Sterne, die aufgrund von thermonuklearen Reaktionen in den Zentren brennen, bestehen hauptsächlich aus Plasma, und da Sterne die häufigste Form von Materie im Universum sind, kann man sagen, dass das gesamte Universum hauptsächlich aus Plasma besteht. Genauer gesagt sind Sterne überwiegend vollständig ionisierter gasförmiger Wasserstoff, d.h. eine Mischung aus einzelnen Protonen und Elektronen, und daher besteht fast das gesamte sichtbare Universum daraus.
Das ist sichtbare Materie. Aber es gibt immer noch unsichtbare Materie im Universum. Und es gibt Teilchen, die als Träger von Kräften wirken. Es gibt Antiteilchen und angeregte Zustände einiger Teilchen. All dies führt zu einem deutlichen Übermaß an „Elementar“-Teilchen. In dieser Fülle findet man einen Hinweis auf die wirkliche, wahre Natur der Elementarteilchen und der zwischen ihnen wirkenden Kräfte. Nach neuesten Theorien können Teilchen im Grunde ausgedehnte geometrische Objekte sein – „Strings“ im zehndimensionalen Raum.
Unsichtbare Welt.
Es gibt nicht nur sichtbare Materie im Universum (sondern auch schwarze Löcher und „dunkle Materie“ wie kalte Planeten, die bei Beleuchtung sichtbar werden). Es gibt auch eine wirklich unsichtbare Materie, die uns alle und das gesamte Universum jede Sekunde durchdringt. Es ist ein sich schnell bewegendes Gas einer Art von Teilchen - Elektron-Neutrinos.
Das Elektron Neutrino ist der Partner des Elektrons, hat aber keine elektrische Ladung. Neutrinos tragen nur die sogenannte schwache Ladung. Ihre Ruhemasse ist aller Wahrscheinlichkeit nach Null. Aber sie interagieren mit dem Gravitationsfeld, weil sie kinetische Energie haben E, was der effektiven Masse entspricht m, nach der Einstein-Formel E = Mc 2, wo c ist die Lichtgeschwindigkeit.
Die Schlüsselrolle des Neutrinos besteht darin, dass es zur Transformation beiträgt und-Quarks ein d Quarks, die zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron führen. Das Neutrino spielt die Rolle der „Vergasernadel“ für stellare thermonukleare Reaktionen, bei denen sich vier Protonen (Wasserstoffkerne) zu einem Heliumkern verbinden. Da der Heliumkern aber nicht aus vier Protonen, sondern aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, sind für eine solche Kernfusion zwei notwendig und-Quarks wurden zu zweien d-Quark. Die Intensität der Transformation bestimmt, wie schnell die Sterne brennen. Und der Transformationsprozess wird durch schwache Ladungen und Kräfte der schwachen Wechselwirkung zwischen Teilchen bestimmt. Dabei und-Quark (elektrische Ladung +2/3, schwache Ladung +1/2), in Wechselwirkung mit einem Elektron (elektrische Ladung - 1, schwache Ladung -1/2), bildet sich d-Quark (elektrische Ladung -1/3, schwache Ladung -1/2) und Elektron-Neutrino (elektrische Ladung 0, schwache Ladung +1/2). Die Farbladungen (oder einfach Farben) der beiden Quarks heben sich bei diesem Vorgang ohne das Neutrino auf. Die Rolle des Neutrinos besteht darin, die unkompensierte schwache Ladung abzutransportieren. Daher hängt die Transformationsrate davon ab, wie schwach die schwachen Kräfte sind. Wenn sie schwächer wären als sie sind, würden die Sterne überhaupt nicht brennen. Wenn sie stärker wären, wären die Sterne längst ausgebrannt.
Aber was ist mit Neutrinos? Da diese Teilchen äußerst schwach mit anderer Materie wechselwirken, verlassen sie fast sofort die Sterne, in denen sie geboren wurden. Alle Sterne leuchten, emittieren Neutrinos, und Neutrinos leuchten Tag und Nacht durch unseren Körper und die gesamte Erde. So wandern sie durch das Universum, bis sie vielleicht in eine neue Wechselwirkung des STERNS eintreten.
Interaktionsträger.
Was verursacht Kräfte, die zwischen entfernten Teilchen wirken? Die moderne Physik antwortet: durch den Austausch anderer Teilchen. Stellen Sie sich zwei Skater vor, die einen Ball herumwerfen. Dem Ball Schwung beim Werfen geben und Schwung mit dem erhaltenen Ball erhalten, bekommen beide gegenseitig einen Stoß in die Richtung. Dies kann die Entstehung von Abstoßungskräften erklären. Aber in der Quantenmechanik, die Phänomene in der Mikrowelt berücksichtigt, sind ungewöhnliche Dehnungen und Delokalisierungen von Ereignissen erlaubt, was scheinbar zum Unmöglichen führt: Einer der Skater wirft den Ball in die Richtung aus die andere, aber trotzdem die eine kann sein Fang diesen Ball. Es ist nicht schwer vorstellbar, dass, wenn dies möglich wäre (und in der Welt der Elementarteilchen ist es möglich), es zwischen den Skatern eine Anziehungskraft geben würde.
Teilchen, durch deren Austausch Wechselwirkungskräfte zwischen den vier oben diskutierten „Materieteilchen“ entstehen, nennt man Eichteilchen. Jede der vier Wechselwirkungen – stark, elektromagnetisch, schwach und gravitativ – hat ihren eigenen Satz von Eichpartikeln. Die Trägerteilchen der starken Wechselwirkung sind Gluonen (es gibt nur acht davon). Ein Photon ist ein Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung (es ist einer, und wir nehmen Photonen als Licht wahr). Die Teilchenträger der schwachen Wechselwirkung sind intermediäre Vektorbosonen (1983 und 1984 entdeckt W + -, W- -Bosonen und neutral Z-Boson). Der Teilchenträger der Gravitationswechselwirkung ist immer noch ein hypothetisches Graviton (es muss eines sein). Alle diese Teilchen, mit Ausnahme von Photon und Graviton, die unendlich lange Strecken zurücklegen können, existieren nur im Prozess des Austauschs zwischen materiellen Teilchen. Photonen füllen das Universum mit Licht und Gravitonen mit Gravitationswellen (noch nicht mit Sicherheit nachgewiesen).
Ein Teilchen, das Eichteilchen emittieren kann, soll von einem geeigneten Kraftfeld umgeben sein. Daher sind Elektronen, die Photonen emittieren können, von elektrischen und magnetischen Feldern sowie von schwachen und Gravitationsfeldern umgeben. Auch Quarks sind von all diesen Feldern umgeben, aber auch vom Feld der starken Wechselwirkung. Teilchen mit einer Farbladung im Bereich der Farbkräfte werden von der Farbkraft beeinflusst. Dasselbe gilt für andere Naturgewalten. Daher können wir sagen, dass die Welt aus Materie (materielle Teilchen) und Feld (Eichteilchen) besteht. Mehr dazu weiter unten.
Antimaterie.
Jedem Teilchen entspricht ein Antiteilchen, mit dem sich das Teilchen gegenseitig vernichten kann, d.h. „vernichten“, wodurch Energie freigesetzt wird. „Reine“ Energie an sich existiert jedoch nicht; Als Ergebnis der Vernichtung erscheinen neue Teilchen (z. B. Photonen), die diese Energie wegtragen.
Ein Antiteilchen hat in den meisten Fällen die entgegengesetzten Eigenschaften zum entsprechenden Teilchen: Bewegt sich ein Teilchen unter Einwirkung starker, schwacher oder elektromagnetischer Felder nach links, so bewegt sich sein Antiteilchen nach rechts. Kurz gesagt, das Antiteilchen hat entgegengesetzte Vorzeichen aller Ladungen (außer der Massenladung). Wenn ein Teilchen zusammengesetzt ist, wie zum Beispiel ein Neutron, dann besteht sein Antiteilchen aus Komponenten mit entgegengesetzten Ladungsvorzeichen. Ein Antielektron hat also eine elektrische Ladung von +1, eine schwache Ladung von +1/2 und wird Positron genannt. Das Antineutron besteht aus und-Antiquarks mit elektrischer Ladung –2/3 und d-Antiquarks mit elektrischer Ladung +1/3. Wirklich neutrale Teilchen sind ihre eigenen Antiteilchen: Das Antiteilchen des Photons ist das Photon.
Nach modernen theoretischen Vorstellungen muss jedes in der Natur vorkommende Teilchen sein eigenes Antiteilchen haben. Und viele Antiteilchen, einschließlich Positronen und Antineutronen, wurden tatsächlich im Labor erhalten. Die Konsequenzen daraus sind außerordentlich wichtig und liegen der gesamten Experimentalphysik der Elementarteilchen zugrunde. Nach der Relativitätstheorie sind Masse und Energie äquivalent, und unter bestimmten Bedingungen kann Energie in Masse umgewandelt werden. Da die Ladung erhalten bleibt und die Ladung des Vakuums (leerer Raum) Null ist, kann jedes Paar von Teilchen und Antiteilchen (mit einer Nettoladung von Null) aus dem Vakuum auftauchen, wie Kaninchen aus dem Hut eines Zauberers, solange die Energie ausreicht, um sie zu erzeugen Masse.
Generationen von Teilchen.
Beschleunigerexperimente haben gezeigt, dass sich die Vervierfachung (Quartett) von Materialteilchen bei höheren Massenwerten mindestens zweimal wiederholt. In der zweiten Generation wird der Platz des Elektrons vom Myon eingenommen (mit einer Masse, die etwa 200-mal größer ist als die Masse des Elektrons, aber mit den gleichen Werten aller anderen Ladungen), der Platz des Elektrons ist Neutrino das Myon (das das Myon bei schwachen Wechselwirkungen ebenso begleitet wie das Elektron das Elektron-Neutrino), statt und-quark besetzt Mit-quark ( Fasziniert), a d-quark- s-quark ( seltsam). In der dritten Generation besteht das Quartett aus einem Tau-Lepton, einem Tau-Neutrino, t-Quark u b-Quark.
Gewicht t-Quark hat etwa die 500-fache Masse des leichtesten - d-Quark. Es wurde experimentell festgestellt, dass es nur drei Arten von leichten Neutrinos gibt. Die vierte Teilchengeneration existiert also entweder gar nicht oder die entsprechenden Neutrinos sind sehr schwer. Dies steht im Einklang mit kosmologischen Daten, denen zufolge es nicht mehr als vier Arten von leichten Neutrinos geben kann.
Bei Experimenten mit hochenergetischen Teilchen wirken Elektron, Myon, Tau-Lepton und die entsprechenden Neutrinos als getrennte Teilchen. Sie tragen keine Farbladung und gehen nur schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen ein. Zusammen werden sie aufgerufen Leptonen.
| Tabelle 2. GENERATIONEN VON FUNDAMENTALTEILCHEN | ||||
| Partikel | Ruhemasse, MeV/ Mit 2 | Elektrische Ladung | Farbladung | Schwache Ladung |
| ZWEITE GENERATION | ||||
| Mit-Quark | 1500 | +2/3 | Rot, grün oder blau | +1/2 |
| s-Quark | 500 | –1/3 | Dasselbe | –1/2 |
| Myon-Neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Myon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| DRITTE GENERATION | ||||
| t-Quark | 30000–174000 | +2/3 | Rot, grün oder blau | +1/2 |
| b-Quark | 4700 | –1/3 | Dasselbe | –1/2 |
| Tau-Neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Quarks hingegen verbinden sich unter dem Einfluss von Farbkräften zu stark wechselwirkenden Teilchen, die die meisten Experimente in der Hochenergiephysik dominieren. Solche Teilchen werden genannt Hadronen. Sie umfassen zwei Unterklassen: Baryonen(zB Proton und Neutron), die aus drei Quarks aufgebaut sind, und Mesonen bestehend aus einem Quark und einem Antiquark. 1947 wurde das erste Meson, Pion (oder Pi-Meson) genannt, in kosmischer Strahlung entdeckt, und einige Zeit glaubte man, dass der Austausch dieser Teilchen die Hauptursache für nukleare Kräfte sei. Die 1964 am Brookhaven National Laboratory (USA) entdeckten Omega-Minus-Hadronen und das j-psy-Teilchen ( J/j-meson), 1974 gleichzeitig in Brookhaven und am Stanford Center for Linear Accelerators (ebenfalls in den USA) entdeckt. Die Existenz des Omega-Minus-Teilchens wurde von M. Gell-Mann in seinem sogenannten „ SO 3-Theorie“ (ein anderer Name ist der „achtfache Weg“), in der erstmals die Möglichkeit der Existenz von Quarks vorgeschlagen wurde (und ihnen dieser Name gegeben wurde). Ein Jahrzehnt später die Entdeckung des Teilchens J/j bestätigte die Existenz Mit-Quark und ließ schließlich alle sowohl an das Quark-Modell als auch an die Theorie glauben, dass elektromagnetische und schwache Kräfte kombiniert werden ( siehe unten).
Teilchen der zweiten und dritten Generation sind nicht weniger real als die der ersten. Nachdem sie entstanden sind, zerfallen sie zwar in Millionstel oder Milliardstel Sekunden in gewöhnliche Teilchen der ersten Generation: ein Elektron, ein Elektron-Neutrino und auch und- und d-Quarks. Die Frage, warum es in der Natur mehrere Generationen von Teilchen gibt, ist noch immer ein Rätsel.
Verschiedene Generationen von Quarks und Leptonen werden oft (was natürlich etwas exzentrisch ist) als unterschiedliche "Geschmacksrichtungen" von Teilchen bezeichnet. Die Notwendigkeit, sie zu erklären, wird als "Geschmacksproblem" bezeichnet.
BOSONEN UND FERMIONEN, FELD UND SUBSTANZ
Einer der grundlegenden Unterschiede zwischen Teilchen ist der Unterschied zwischen Bosonen und Fermionen. Alle Partikel werden in diese beiden Hauptklassen eingeteilt. Ähnliche Bosonen können sich überlappen oder überlappen, ähnliche Fermionen jedoch nicht. Superposition tritt auf (oder tritt nicht auf) in den diskreten Energiezuständen, in die die Quantenmechanik die Natur einteilt. Diese Zustände sind sozusagen getrennte Zellen, in die Teilchen platziert werden können. Man kann also in eine Zelle beliebig viele identische Bosonen stecken, aber nur ein Fermion.
Betrachten Sie als Beispiel solche Zellen oder "Zustände" für ein Elektron, das sich um den Kern eines Atoms dreht. Anders als die Planeten des Sonnensystems kann ein Elektron nach den Gesetzen der Quantenmechanik auf keiner Ellipsenbahn kreisen, denn es gibt nur eine diskrete Anzahl erlaubter "Bewegungszustände". Mengen solcher Zustände, gruppiert nach dem Abstand des Elektrons zum Kern, werden als bezeichnet Orbitale. Im ersten Orbital gibt es zwei Zustände mit unterschiedlichem Drehimpuls und damit zwei zulässigen Zellen, in höheren Orbitalen acht oder mehr Zellen.
Da ein Elektron ein Fermion ist, kann jede Zelle nur ein Elektron enthalten. Daraus folgen sehr wichtige Konsequenzen - die gesamte Chemie, da die chemischen Eigenschaften von Stoffen durch die Wechselwirkungen zwischen den entsprechenden Atomen bestimmt werden. Wenn Sie das Periodensystem der Elemente von einem Atom zum anderen durchlaufen, um die Anzahl der Protonen im Kern um eine Einheit zu erhöhen (die Anzahl der Elektronen wird auch entsprechend zunehmen), dann besetzen die ersten beiden Elektronen das erste Orbital, das die nächsten acht befinden sich in der zweiten usw. Diese sukzessive Änderung der elektronischen Struktur von Atomen von Element zu Element bestimmt die Regelmäßigkeiten ihrer chemischen Eigenschaften.
Wenn die Elektronen Bosonen wären, könnten alle Elektronen eines Atoms dasselbe Orbital besetzen, das der minimalen Energie entspricht. In diesem Fall wären die Eigenschaften aller Materie im Universum völlig anders, und in der Form, in der wir es kennen, wäre das Universum unmöglich.
Alle Leptonen – Elektron, Myon, Tau-Lepton und ihr entsprechendes Neutrino – sind Fermionen. Dasselbe gilt für Quarks. Somit sind alle Teilchen, die "Materie", den Hauptfüllstoff des Universums, sowie unsichtbare Neutrinos bilden, Fermionen. Das ist sehr bedeutsam: Fermionen können sich nicht verbinden, also gilt dasselbe für Objekte in der materiellen Welt.
Gleichzeitig werden alle "Eichteilchen" zwischen wechselwirkenden Stoffteilchen ausgetauscht und erzeugen ein Kraftfeld ( siehe oben), sind Bosonen, was ebenfalls sehr wichtig ist. So können sich beispielsweise viele Photonen im gleichen Zustand befinden und um einen Magneten ein Magnetfeld oder um eine elektrische Ladung ein elektrisches Feld bilden. Dadurch ist auch ein Laser möglich.
Drehen.
Der Unterschied zwischen Bosonen und Fermionen hängt mit einer weiteren Eigenschaft von Elementarteilchen zusammen - der Rücken. So überraschend es scheinen mag, aber alle Elementarteilchen haben ihren eigenen Drehimpuls oder rotieren einfacher um ihre eigene Achse. Der Drehimpuls ist ein Merkmal der Rotationsbewegung, ebenso wie der Gesamtimpuls der Translationsbewegung. Bei jeder Wechselwirkung bleiben Drehimpuls und Impuls erhalten.
Im Mikrokosmos ist der Drehimpuls quantisiert, d.h. nimmt diskrete Werte an. In geeigneten Einheiten haben Leptonen und Quarks einen Spin von 1/2 und Eichteilchen einen Spin von 1 (mit Ausnahme des Gravitons, das experimentell noch nicht beobachtet wurde, aber theoretisch einen Spin von 2 haben sollte). Da Leptonen und Quarks Fermionen und Eichteilchen Bosonen sind, kann angenommen werden, dass "Fermionizität" mit Spin 1/2 und "Bosonizität" mit Spin 1 (oder 2) assoziiert ist. In der Tat bestätigen sowohl Experiment als auch Theorie, dass ein Teilchen mit halbzahligem Spin ein Fermion ist, und wenn es ganzzahlig ist, ein Boson.
Eichtheorien und Geometrie
In allen Fällen entstehen die Kräfte durch den Austausch von Bosonen zwischen Fermionen. Die Farbkraft der Wechselwirkung zwischen zwei Quarks (Quarks - Fermionen) entsteht also durch den Austausch von Gluonen. Ein solcher Austausch findet ständig in Protonen, Neutronen und Atomkernen statt. Auf die gleiche Weise erzeugen zwischen Elektronen und Quarks ausgetauschte Photonen elektrische Anziehungskräfte, die Elektronen in einem Atom halten, und Zwischenvektorbosonen, die zwischen Leptonen und Quarks ausgetauscht werden, erzeugen schwache Wechselwirkungskräfte, die für die Umwandlung von Protonen in Neutronen bei Fusionsreaktionen in Sternen verantwortlich sind.
Die Theorie eines solchen Austauschs ist elegant, einfach und wahrscheinlich richtig. Es wird genannt Eichtheorie. Gegenwärtig gibt es jedoch nur unabhängige Eichtheorien für starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen und eine ihnen ähnliche, wenn auch in gewisser Weise unterschiedliche Eichtheorie der Gravitation. Eines der wichtigsten physikalischen Probleme ist die Reduzierung dieser getrennten Theorien auf eine einzige und gleichzeitig einfache Theorie, in der sie alle zu verschiedenen Aspekten einer einzigen Realität werden würden - wie die Facetten eines Kristalls.
| Tabelle 3. Einige Hadronen | ||||
| Partikel | Symbol | Quark-Zusammensetzung * | Menge, die übrig bleibt, MeV/ Mit 2 | Elektrische Ladung |
| BARONE | ||||
| Proton | p | uud | 938 | +1 |
| Neutron | n | udd | 940 | 0 |
| Omega minus | W- | sss | 1672 | –1 |
| MESONEN | ||||
| Pi plus | p + | u | 140 | +1 |
| Pi-Minus | p – | du | 140 | –1 |
| fi | f | sє | 1020 | 0 |
| JPS | J/j | cў | 3100 | 0 |
| Ypsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Quarkzusammensetzung: u- Oberer, höher; d- niedriger; s- seltsam; c- verzaubert b- schön. Die Linie über dem Buchstaben bezeichnet Antiquarks. | ||||
Die einfachste und älteste Eichtheorie ist die Eichtheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung. Darin wird die Ladung eines Elektrons mit der Ladung eines anderen davon entfernten Elektrons verglichen (kalibriert). Wie können Gebühren verglichen werden? Sie können zum Beispiel das zweite Elektron näher an das erste heranbringen und ihre Wechselwirkungskräfte vergleichen. Aber ändert sich nicht die Ladung eines Elektrons, wenn es sich an einen anderen Punkt im Raum bewegt? Die einzige Möglichkeit zur Überprüfung besteht darin, ein Signal vom nahen Elektron zum fernen zu senden und zu sehen, wie es reagiert. Das Signal ist ein Eichteilchen – ein Photon. Um die Ladung entfernter Teilchen überprüfen zu können, wird ein Photon benötigt.
Mathematisch zeichnet sich diese Theorie durch extreme Präzision und Schönheit aus. Aus dem oben beschriebenen „Eichprinzip“ folgt die gesamte Quantenelektrodynamik (die Quantentheorie des Elektromagnetismus) sowie Maxwells Theorie des elektromagnetischen Feldes, eine der größten wissenschaftlichen Errungenschaften des 19. Jahrhunderts.
Warum ist ein so einfaches Prinzip so fruchtbar? Anscheinend drückt es eine gewisse Korrelation verschiedener Teile des Universums aus, was Messungen im Universum ermöglicht. Mathematisch wird das Feld geometrisch als Krümmung eines denkbaren „inneren“ Raums interpretiert. Die Ladungsmessung ist die Messung der gesamten "inneren Krümmung" um das Teilchen herum. Die Eichtheorien starker und schwacher Wechselwirkungen unterscheiden sich von der elektromagnetischen Eichtheorie nur in der inneren geometrischen "Struktur" der entsprechenden Ladung. Die Frage, wo genau dieser Innenraum liegt, beantworten mehrdimensionale einheitliche Feldtheorien, die hier nicht betrachtet werden.
| Tabelle 4. GRUNDLEGENDE WECHSELWIRKUNGEN | |||||
| Interaktion | Relative Intensität in einem Abstand von 10–13 cm | Aktionsradius | Interaktionsträger | Trägerruhemasse, MeV/ Mit 2 | Carrier-Spin |
| Stark | 1 | Gluon | 0 | 1 | |
| Elektro- magnetisch |
0,01 | Ґ | Photon | 0 | 1 |
| Schwach | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Schwere- rational |
10 –38 | Ґ | Graviton | 0 | 2 |
Die Physik der Elementarteilchen ist noch nicht abgeschlossen. Es ist noch lange nicht klar, ob die verfügbaren Daten ausreichen, um die Natur von Teilchen und Kräften sowie die wahre Natur und Dimensionen von Raum und Zeit vollständig zu verstehen. Brauchen wir dazu Experimente mit Energien von 10 15 GeV oder reicht der Denkaufwand? Es gibt noch keine Antwort. Aber wir können mit Zuversicht sagen, dass das endgültige Bild einfach, elegant und schön sein wird. Möglicherweise gibt es nicht so viele grundlegende Ideen: das Eichprinzip, höherdimensionale Räume, Kollaps und Expansion und vor allem die Geometrie.
Das weitere Eindringen in die Tiefen der Mikrowelt ist mit dem Übergang von der Ebene der Atome zur Ebene der Elementarteilchen verbunden. Als erstes Elementarteilchen Ende des 19. Jahrhunderts. das Elektron entdeckt wurde, und dann in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts. Photon, Proton, Positron und Neutron.
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde dank des Einsatzes moderner experimenteller Technologie und vor allem leistungsstarker Beschleuniger, in denen Bedingungen hoher Energien und enormer Geschwindigkeiten geschaffen werden, die Existenz einer großen Anzahl von Elementarteilchen festgestellt - mehr als 300. Darunter sind sowohl experimentell entdeckte als auch theoretisch berechnete, darunter Resonanzen, Quarks und virtuelle Teilchen.
Begriff Elementarteilchen meinte ursprünglich die einfachsten, weiter unzersetzbaren Teilchen, die jeglichen materiellen Gebilden zugrunde liegen. Später erkannten die Physiker die ganze Konventionalität des Begriffs „elementar“ in Bezug auf Mikroobjekte. Nun besteht kein Zweifel, dass die Teilchen die eine oder andere Struktur haben, aber dennoch existiert der historisch etablierte Name weiter.
Die Hauptmerkmale von Elementarteilchen sind Masse, Ladung, mittlere Lebensdauer, Spin und Quantenzahlen.
Menge, die übrig bleibt Elementarteilchen werden in Relation zur Ruhemasse eines Elektrons bestimmt Es gibt Elementarteilchen, die keine Ruhemasse haben, - Photonen. Der Rest der Partikel auf dieser Basis wird unterteilt in Leptonen– leichte Teilchen (Elektron und Neutrino); Mesonen– mittlere Teilchen mit einer Masse von 1 bis 1000 Elektronenmassen; Baryonen- schwere Teilchen, deren Masse tausend Massen eines Elektrons übersteigt und zu denen Protonen, Neutronen, Hyperonen und viele Resonanzen gehören.
Elektrische Ladung ist eine weitere wichtige Eigenschaft von Elementarteilchen. Alle bekannten Teilchen haben eine positive, negative oder Nullladung. Jedes Teilchen, außer einem Photon und zwei Mesonen, entspricht Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung. Etwa 1963-1964. vermutet, dass es gibt Quarks– Teilchen mit einer gebrochenen elektrischen Ladung. Diese Hypothese wurde bisher noch nicht experimentell bestätigt.
Nach Lebenszeit Partikel werden unterteilt stabil und instabil . Es gibt fünf stabile Teilchen: ein Photon, zwei Arten von Neutrinos, ein Elektron und ein Proton. Es sind stabile Partikel, die die wichtigste Rolle in der Struktur von Makrokörpern spielen. Alle anderen Teilchen sind instabil, sie existieren etwa 10 -10 -10 -24 s, danach zerfallen sie. Elementarteilchen mit einer mittleren Lebensdauer von 10–23–10–22 s genannt Resonanzen. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer zerfallen sie, bevor sie das Atom oder den Atomkern überhaupt verlassen. Die Resonanzzustände sind theoretisch berechnet worden, sie können in realen Experimenten nicht festgelegt werden.
Elementarteilchen werden neben Ladung, Masse und Lebensdauer auch durch Begriffe beschrieben, die in der klassischen Physik keine Entsprechungen haben: den Begriff der Rücken . Der Spin ist der intrinsische Drehimpuls eines Teilchens, unabhängig von seiner Verschiebung. Spin ist gekennzeichnet Spinquantenzahl s, die ganzzahlige (±1) oder halbzahlige (±1/2) Werte annehmen kann. Teilchen mit ganzzahligem Spin Bosonen, mit einer halben ganzen Zahl - Fermionen. Das Elektron gehört zu den Fermionen. Nach dem Pauli-Prinzip kann ein Atom nicht mehr als ein Elektron mit demselben Satz von Quantenzahlen haben. n,m,l,s. Die Elektronen, die Wellenfunktionen mit der gleichen Zahl n entsprechen, liegen energetisch sehr nahe beieinander und bilden im Atom eine Elektronenhülle. Unterschiede in der Zahl l bestimmen die „Unterschale“, die übrigen Quantenzahlen bestimmen, wie oben erwähnt, ihre Füllung.
Bei der Charakterisierung von Elementarteilchen gibt es noch eine weitere wichtige Idee Interaktionen. Wie bereits erwähnt, sind vier Arten von Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen bekannt: Gravitation,schwach,elektromagnetisch und stark(nuklear).
Alle Teilchen mit einer Ruhemasse ( m 0), nehmen an gravitativer Wechselwirkung teil, geladen - und an elektromagnetischen. Leptonen nehmen auch an schwachen Wechselwirkungen teil. Hadronen nehmen an allen vier grundlegenden Wechselwirkungen teil.
Nach der Quantenfeldtheorie laufen alle Wechselwirkungen über den Austausch ab virtuelle Teilchen , das heißt Teilchen, deren Existenz nur indirekt beurteilt werden kann, durch einige ihrer Manifestationen durch einige sekundäre Effekte ( echte Teilchen kann direkt mit Instrumenten fixiert werden).
Es stellt sich heraus, dass alle bekannten vier Arten von Wechselwirkungen – gravitative, elektromagnetische, starke und schwache – Eichnatur haben und durch Eichsymmetrien beschrieben werden. Das heißt, alle Interaktionen sind sozusagen „aus einem Guss“. Dies weckt die Hoffnung, dass es möglich sein wird, „den einzigen Schlüssel zu allen bekannten Schlössern“ zu finden und die Entwicklung des Universums von einem Zustand, der durch ein einziges supersymmetrisches Superfeld repräsentiert wird, von einem Zustand, in dem die Unterschiede zwischen den Arten von Wechselwirkungen bestehen, zu beschreiben alle Arten von Materieteilchen und Feldquanten haben sich noch nicht manifestiert.
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, Elementarteilchen zu klassifizieren. So werden Teilchen beispielsweise in Fermionen (Fermi-Teilchen) - Materieteilchen und Bosonen (Bose-Teilchen) - Feldquanten - unterteilt.
Nach einem anderen Ansatz werden Teilchen in 4 Klassen eingeteilt: Photonen, Leptonen, Mesonen, Baryonen.
Photonen (Quanten des elektromagnetischen Feldes) nehmen an elektromagnetischen Wechselwirkungen teil, haben aber keine starken, schwachen, gravitativen Wechselwirkungen.
Leptonen bekam seinen Namen von dem griechischen Wort lEptos- hell. Dazu gehören Teilchen ohne starke Wechselwirkung Myonen (μ - , μ +), Elektronen (e - , e +), Elektron-Neutrinos (ve - , ve +) und Myon-Neutrinos (v - m , v + m). Alle Leptonen haben Spin ½ und sind daher Fermionen. Alle Leptonen haben eine schwache Wechselwirkung. Diejenigen, die eine elektrische Ladung haben (d. h. Myonen und Elektronen), haben auch eine elektromagnetische Wechselwirkung.
Mesonen sind stark wechselwirkende instabile Teilchen, die nicht die sogenannte Baryonenladung tragen. Darunter gehört R-Mesonen oder Pionen (π +, π -, π 0), Zu-Mesonen oder Kaonen (K + , K - , K 0) und Dies-Mesonen (η) . Gewicht Zu-Mesonen beträgt ~970me (494 MeV für geladene und 498 MeV für neutrale Zu-Mesonen). Lebensdauer Zu-Mesonen hat eine Größenordnung von etwa 10–8 s. Sie lösen sich auf, um sich zu formen ich-Mesonen und Leptonen oder nur Leptonen. Gewicht Dies-Mesonen entspricht 549 MeV (1074me), die Lebensdauer beträgt etwa 10–19 s. Dies-Mesonen zerfallen unter Bildung von π-Mesonen und γ-Photonen. Im Gegensatz zu Leptonen haben Mesonen nicht nur eine schwache (und, wenn sie geladen sind, elektromagnetische), sondern auch eine starke Wechselwirkung, die sich in ihrer Wechselwirkung untereinander sowie in der Wechselwirkung zwischen Mesonen und Baryonen manifestiert. Der Spin aller Mesonen ist null, sie sind also Bosonen.
Klasse Baryonen kombiniert Nukleonen (p, n) und instabile Teilchen mit einer Masse, die größer ist als die Masse von Nukleonen, sogenannten Hyperonen. Alle Baryonen haben eine starke Wechselwirkung und interagieren daher aktiv mit Atomkernen. Der Spin aller Baryonen ist ½, also sind Baryonen Fermionen. Mit Ausnahme des Protons sind alle Baryonen instabil. Beim Zerfall von Baryonen entsteht notwendigerweise zusammen mit anderen Teilchen ein Baryon. Dieses Muster ist eine der Manifestationen Baryonenladungserhaltungsgesetz.
Zusätzlich zu den oben aufgeführten Teilchen wurde eine große Anzahl stark wechselwirkender kurzlebiger Teilchen entdeckt, die als Resonanzen . Diese Teilchen sind Resonanzzustände, die von zwei oder mehr Elementarteilchen gebildet werden. Die Lebensdauer von Resonanzen beträgt nur ~ 10–23–10–22 s.
Elementarteilchen sowie komplexe Mikroteilchen können aufgrund der Spuren beobachtet werden, die sie hinterlassen, wenn sie Materie passieren. Die Art der Spuren ermöglicht es, das Vorzeichen der Ladung des Teilchens, seine Energie, seinen Impuls usw. zu beurteilen. Geladene Teilchen verursachen auf ihrem Weg eine Ionisierung von Molekülen. Neutrale Teilchen hinterlassen keine Spuren, aber sie können sich im Moment des Zerfalls in geladene Teilchen oder im Moment der Kollision mit einem beliebigen Kern offenbaren. Daher werden eventuell auch neutrale Teilchen durch die Ionisation nachgewiesen, die durch die von ihnen erzeugten geladenen Teilchen verursacht wird.
Teilchen und Antiteilchen. 1928 gelang es dem englischen Physiker P. Dirac, eine relativistische quantenmechanische Gleichung für das Elektron zu finden, aus der sich eine Reihe bemerkenswerter Konsequenzen ergeben. Zunächst erhält man aus dieser Gleichung auf natürliche Weise ohne weitere Annahmen den Spin und den Zahlenwert des intrinsischen magnetischen Moments des Elektrons. Es stellte sich also heraus, dass der Spin sowohl eine quantenmechanische als auch eine relativistische Größe ist. Aber damit ist die Bedeutung der Dirac-Gleichung nicht erschöpft. Es ermöglichte auch, die Existenz eines Antiteilchens des Elektrons vorherzusagen - Positron. Aus der Dirac-Gleichung ergeben sich nicht nur positive, sondern auch negative Werte für die Gesamtenergie eines freien Elektrons. Untersuchungen der Gleichung zeigen, dass es für einen gegebenen Teilchenimpuls Lösungen für die Gleichung gibt, die den Energien entsprechen: .
Zwischen der größten negativen Energie (- m e Mit 2) und die kleinste positive Energie (+ m e c 2) Es gibt ein Intervall von Energiewerten, das nicht realisiert werden kann. Die Breite dieses Intervalls ist 2 m e Mit 2. Folglich werden zwei Bereiche von Energieeigenwerten erhalten: einer beginnt mit + m e Mit 2 und reicht bis +∞, der andere beginnt bei - m e Mit 2 und reicht bis –∞.
Ein Teilchen mit negativer Energie muss sehr seltsame Eigenschaften haben. Beim Übergang in Zustände mit immer niedrigerer Energie (also mit betragsmäßig zunehmender negativer Energie) könnte sie außerdem Energie etwa in Form von Strahlung freisetzen, da | E| durch nichts begrenzt ist, könnte ein Teilchen mit negativer Energie unendlich viel Energie ausstrahlen. Eine ähnliche Schlussfolgerung kann auf folgende Weise erreicht werden: aus der Relation E=m e Mit 2 folgt, dass die Masse eines Teilchens mit negativer Energie auch negativ sein wird. Unter der Wirkung einer Verzögerungskraft sollte ein Teilchen mit negativer Masse nicht langsamer werden, sondern beschleunigen, wobei eine unendlich große Menge an Arbeit an der Quelle der Verzögerungskraft verrichtet wird. Angesichts dieser Schwierigkeiten sollte man wohl zugeben, dass der Zustand mit negativer Energie von der Betrachtung ausgeschlossen werden sollte, da er zu absurden Ergebnissen führt. Dies würde jedoch einigen allgemeinen Prinzipien der Quantenmechanik widersprechen. Also wählte Dirac einen anderen Weg. Er schlug vor, dass Übergänge von Elektronen in Zustände mit negativer Energie normalerweise nicht beobachtet werden, da alle verfügbaren Niveaus mit negativer Energie bereits von Elektronen besetzt sind. 
Vakuum ist laut Dirac ein Zustand, in dem alle Ebenen negativer Energie von Elektronen bevölkert sind und Ebenen mit positiver Energie frei sind. Da alle Ebenen unterhalb des verbotenen Bandes ausnahmslos besetzt sind, verraten sich die Elektronen auf diesen Ebenen in keiner Weise. Wenn einem der auf negativen Niveaus befindlichen Elektronen Energie zugeführt wird E≥ 2m e Mit 2 , dann geht dieses Elektron in einen Zustand mit positiver Energie über und verhält sich wie ein Teilchen mit positiver Masse und negativer Ladung. Dieses erste theoretisch vorhergesagte Teilchen wurde Positron genannt. Wenn ein Positron auf ein Elektron trifft, vernichten sie sich (verschwinden) – das Elektron geht von einem positiven Niveau auf ein leeres negatives über. Die der Differenz dieser Niveaus entsprechende Energie wird in Form von Strahlung freigesetzt. Auf Abb. In 4 stellt Pfeil 1 den Prozess der Bildung eines Elektron-Positron-Paares dar, und Pfeil 2 - ihre Vernichtung. Der Begriff „Vernichtung“ sollte nicht wörtlich genommen werden. Was im Wesentlichen passiert, ist nicht das Verschwinden, sondern die Umwandlung einiger Teilchen (Elektron und Positron) in andere (γ-Photonen).
Es gibt Teilchen, die mit ihren Antiteilchen identisch sind (d. h. sie haben keine Antiteilchen). Solche Teilchen nennt man absolut neutral. Dazu gehören das Photon, π 0 -Meson und η-Meson. Teilchen, die mit ihren Antiteilchen identisch sind, können nicht vernichten. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie sich überhaupt nicht in andere Teilchen umwandeln können.
Wenn Baryonen (also Nukleonen und Hyperonen) eine Baryonenladung (oder Baryonenzahl) zugeordnet wird BEI= +1, Antibaryonen – Baryonenladung BEI= –1, und für alle anderen Teilchen – die Baryonenladung BEI= 0, dann ist für alle Prozesse, die unter Beteiligung von Baryonen und Antibaryonen ablaufen, die Erhaltung der Ladungsbaryonen charakteristisch, ebenso wie die Erhaltung der elektrischen Ladung für Prozesse charakteristisch ist. Das Ladungserhaltungsgesetz des Baryons bestimmt die Stabilität des weichsten Baryons, des Protons. Die Umwandlung aller Größen, die ein physikalisches System beschreiben, bei dem alle Teilchen durch Antiteilchen ersetzt werden (z. B. Elektronen durch Protonen und Protonen durch Elektronen usw.), wird als Konjugationsladung bezeichnet.
Seltsame Teilchen.Zu-Mesonen und Hyperonen wurden Anfang der 1950er Jahre in der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung entdeckt. Seit 1953 werden sie auf Beschleunigern hergestellt. Das Verhalten dieser Teilchen erwies sich als so ungewöhnlich, dass sie seltsam genannt wurden. Das ungewöhnliche Verhalten seltsamer Teilchen bestand darin, dass sie offensichtlich aufgrund starker Wechselwirkungen mit einer charakteristischen Zeit in der Größenordnung von 10–23 s geboren wurden und sich herausstellte, dass ihre Lebensdauer in der Größenordnung von 10–8–10–10 lag s. Letzterer Umstand weist darauf hin, dass die Teilchen aufgrund schwacher Wechselwirkungen zerfallen. Es war völlig unverständlich, warum seltsame Teilchen so lange leben. Da sowohl an der Entstehung als auch am Zerfall eines λ-Hyperons dieselben Teilchen (π-Mesonen und Protonen) beteiligt sind, erschien es überraschend, dass die Geschwindigkeit (d. h. die Wahrscheinlichkeit) beider Prozesse so unterschiedlich ist. Weitere Untersuchungen zeigten, dass seltsame Teilchen paarweise produziert werden. Dies führte zu der Idee, dass starke Wechselwirkungen beim Zerfall von Teilchen keine Rolle spielen können, da für ihre Manifestation die Anwesenheit zweier fremder Teilchen notwendig ist. Aus dem gleichen Grund ist die Einzelherstellung fremder Teilchen unmöglich.
Zur Erklärung des Verbots der Einzelproduktion fremder Teilchen führten M. Gell-Mann und K. Nishijima eine neue Quantenzahl ein, deren Gesamtwert ihrer Annahme nach bei starken Wechselwirkungen erhalten bleiben sollte. Es ist eine Quantenzahl S hieß Partikel Fremdheit. Bei schwachen Wechselwirkungen bleibt Fremdheit möglicherweise nicht erhalten. Daher wird es nur stark wechselwirkenden Teilchen zugeschrieben - Mesonen und Baryonen.
Neutrino. Das Neutrino ist das einzige Teilchen, das weder an starken noch an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnimmt. Abgesehen von der gravitativen Wechselwirkung, an der alle Teilchen teilnehmen, kann das Neutrino nur an schwachen Wechselwirkungen teilnehmen.
Lange Zeit war unklar, wie sich Neutrinos von Antineutrinos unterscheiden. Die Entdeckung des Erhaltungsgesetzes der kombinierten Parität ermöglichte die Beantwortung dieser Frage: Sie unterscheiden sich in der Helizität. Unter Helizität eine gewisse Beziehung zwischen den Impulsrichtungen verstanden wird R und zurück S Partikel. Die Helizität gilt als positiv, wenn Spin und Impuls in die gleiche Richtung weisen. In diesem Fall ist die Richtung der Partikelbewegung ( R) und die dem Drall entsprechende „Drehrichtung“ bilden eine rechte Schraube. Bei entgegengesetzt gerichtetem Spin und Impuls wird die Helizität negativ (translationale Bewegung und „Rotation“ bilden eine linke Schraube). Nach der von Yang, Lee, Landau und Salam entwickelten Theorie der longitudinalen Neutrinos sind alle in der Natur vorkommenden Neutrinos, egal wie sie entstehen, immer vollständig longitudinal polarisiert (d.h. ihr Spin ist parallel oder antiparallel zum Impuls gerichtet). R). Neutrino hat Negativ(links) Helizität (entspricht dem Richtungsverhältnis S und R in Abb. gezeigt. 5 (b), Antineutrino - positive (rechts) Helizität (a). Helizität unterscheidet also Neutrinos von Antineutrinos.
Reis. 5. Schema der Helizität von Elementarteilchen
Systematik der Elementarteilchen. Die in der Welt der Elementarteilchen beobachteten Muster lassen sich als Erhaltungssätze formulieren. Es gibt bereits einige solcher Gesetze. Einige von ihnen sind nicht exakt, sondern nur ungefähr. Jeder Erhaltungssatz drückt eine bestimmte Symmetrie des Systems aus. Gesetze der Impulserhaltung R, Drehimpuls L und Energie E spiegeln die Symmetrieeigenschaften von Raum und Zeit wider: Erhaltung E ist eine Folge der Homogenität der Zeit, der Erhaltung R aufgrund der Homogenität des Raumes und der Konservierung L- seine Isotropie. Das Paritätserhaltungsgesetz hängt mit der Symmetrie zwischen rechts und links zusammen ( R-Invarianz). Symmetrie unter Ladungskonjugation (Symmetrie von Teilchen und Antiteilchen) führt zur Erhaltung der Ladungsparität ( AUS-Invarianz). Die Erhaltungssätze von elektrischen, Baryonen- und Leptonladungen drücken eine besondere Symmetrie aus AUS-Funktionen. Schließlich spiegelt das Isotopen-Spin-Erhaltungsgesetz die Isotropie des Isotopenraums wider. Die Nichteinhaltung eines der Erhaltungssätze bedeutet in diesem Zusammenspiel eine Verletzung der entsprechenden Art von Symmetrie.
In der Welt der Elementarteilchen gilt folgende Regel: alles ist erlaubt, was nicht durch Naturschutzgesetze verboten ist. Letztere spielen die Rolle von Verbotsregeln, die die gegenseitige Umwandlung von Teilchen regulieren. Zunächst einmal beachten wir die Erhaltungssätze von Energie, Impuls und elektrischer Ladung. Diese drei Gesetze erklären die Stabilität des Elektrons. Aus der Energie- und Impulserhaltung folgt, dass die gesamte Ruhemasse der Zerfallsprodukte kleiner sein muss als die Ruhemasse des zerfallenden Teilchens. Das Elektron könnte also nur in Neutrinos und Photonen zerfallen. Aber diese Teilchen sind elektrisch neutral. Es stellt sich also heraus, dass das Elektron einfach niemanden hat, auf den es seine elektrische Ladung übertragen kann, also ist es stabil.
Quarks. Es gibt so viele Teilchen, die als elementar bezeichnet werden, dass ernsthafte Zweifel an ihrer elementaren Natur bestehen. Jedes der stark wechselwirkenden Teilchen ist durch drei unabhängige additive Quantenzahlen gekennzeichnet: die Ladung Q, Überladung Bei und Baryonenladung BEI. In diesem Zusammenhang tauchte eine Hypothese auf, dass alle Teilchen aus drei Grundteilchen aufgebaut sind - Träger dieser Ladungen. 1964 stellten Gell-Mann und unabhängig von ihm der Schweizer Physiker Zweig eine Hypothese auf, nach der alle Elementarteilchen aus drei Teilchen namens Quarks aufgebaut sind. Diesen Teilchen werden gebrochene Quantenzahlen zugeordnet, insbesondere eine elektrische Ladung gleich +2/3; –⅓; +⅓ jeweils für jedes der drei Quarks. Diese Quarks werden üblicherweise mit den Buchstaben bezeichnet U,D,S. Neben Quarks werden auch Antiquarks betrachtet ( u,d,s). Bis heute sind 12 Quarks bekannt – 6 Quarks und 6 Antiquarks. Mesonen werden aus einem Quark-Antiquark-Paar und Baryonen aus drei Quarks gebildet. So bestehen beispielsweise ein Proton und ein Neutron aus drei Quarks, was das Proton oder Neutron farblos macht. Dementsprechend werden drei Ladungen starker Wechselwirkungen unterschieden - rot ( R), gelb ( Y) und Grün ( G).
Jedem Quark wird das gleiche magnetische Moment (µV) zugeordnet, dessen Wert sich nicht aus der Theorie ergibt. Berechnungen auf der Grundlage dieser Annahme geben dem Proton den Wert des magnetischen Moments μ p = μ q und für das Neutron μ n = – ⅔μ Quadrat
Somit ist für das Verhältnis der magnetischen Momente der Wert μ p / μn = –⅔, in ausgezeichneter Übereinstimmung mit dem experimentellen Wert.
Grundsätzlich begann die Farbe des Quarks (wie das Vorzeichen der elektrischen Ladung) den Unterschied in der Eigenschaft auszudrücken, die die gegenseitige Anziehung und Abstoßung von Quarks bestimmt. In Analogie zu den Quanten der Felder verschiedener Wechselwirkungen (Photonen bei elektromagnetischen Wechselwirkungen, R-Mesonen in starken Wechselwirkungen usw.), Teilchen-Träger der Wechselwirkung zwischen Quarks eingeführt. Diese Teilchen wurden benannt Gluonen. Sie übertragen Farbe von einem Quark auf ein anderes, wodurch die Quarks zusammengehalten werden. In der Quarkphysik wurde die Confinement-Hypothese formuliert (aus dem Englischen. Beschränkungen- Gefangenschaft) von Quarks, wonach es unmöglich ist, ein Quark von einem Ganzen zu subtrahieren. Es kann nur als Element des Ganzen existieren. Die Existenz von Quarks als reale Teilchen in der Physik ist zuverlässig belegt.
Die Idee der Quarks erwies sich als sehr fruchtbar. Es ermöglichte nicht nur die Systematisierung bereits bekannter Teilchen, sondern auch die Vorhersage einer Reihe neuer. Die Situation, die sich in der Elementarteilchenphysik entwickelt hat, erinnert an die Situation, die in der Atomphysik nach der Entdeckung des Periodengesetzes durch D. I. Mendelev im Jahr 1869 geschaffen wurde. Obwohl das Wesen dieses Gesetzes erst etwa 60 Jahre nach der Entstehung der Quantenmechanik geklärt war, ermöglichte es die Systematisierung der damals bekannten chemischen Elemente und führte darüber hinaus zur Vorhersage der Existenz neuer Elemente und ihrer Eigenschaften . Genauso haben Physiker gelernt, Elementarteilchen zu systematisieren, und die entwickelte Systematik ermöglichte es in einigen Fällen, die Existenz neuer Teilchen vorherzusagen und ihre Eigenschaften vorherzusagen.
Daher können Quarks und Leptonen zum gegenwärtigen Zeitpunkt als wirklich elementar betrachtet werden; es gibt 12 von ihnen oder zusammen mit Antiteilchen - 24. Außerdem gibt es Teilchen, die vier grundlegende Wechselwirkungen (Wechselwirkungsquanten) liefern. Es gibt 13 dieser Teilchen: Graviton, Photon, W± - und Z-Teilchen und 8 Gluonen.
Die bestehenden Theorien der Elementarteilchen können nicht angeben, wo der Anfang der Reihe steht: Atome, Kerne, Hadronen, Quarks In dieser Reihe schließt jede komplexere materielle Struktur eine einfachere als integralen Bestandteil ein. Das kann offenbar nicht ewig so weitergehen. Es wurde angenommen, dass die beschriebene Kette von Materialstrukturen auf Objekten grundlegend anderer Natur basiert. Es wird gezeigt, dass solche Objekte keine punktförmigen, sondern ausgedehnte, wenn auch extrem kleine (~10 -33 cm) Formationen, genannt werden können Supersaiten. Die beschriebene Idee ist in unserem vierdimensionalen Raum nicht realisierbar. Dieser Bereich der Physik ist im Allgemeinen äußerst abstrakt, und es ist sehr schwierig, visuelle Modelle zu finden, die zu einer vereinfachten Wahrnehmung der in den Theorien der Elementarteilchen eingebetteten Ideen beitragen. Dennoch ermöglichen diese Theorien den Physikern, die gegenseitige Umwandlung und gegenseitige Abhängigkeit der „elementarsten“ Mikroobjekte, ihre Verbindung mit den Eigenschaften der vierdimensionalen Raumzeit auszudrücken. Am vielversprechendsten ist die sogenannte M-Theorie (Komme aus Geheimnis- ein Rätsel, ein Mysterium). Sie operiert zwölfdimensionaler Raum . Letztlich „kollabieren“ beim Übergang in die von uns direkt wahrgenommene vierdimensionale Welt alle „zusätzlichen“ Dimensionen. Die M-Theorie ist bisher die einzige Theorie, die es ermöglicht, die vier fundamentalen Wechselwirkungen auf eine - die sogenannte Supermacht. Es ist auch wichtig, dass die M-Theorie die Existenz verschiedener Welten zulässt und die Bedingungen festlegt, die die Entstehung unserer Welt sicherstellen. Die M-Theorie ist noch nicht ausreichend entwickelt. Es wird angenommen, dass das Finale "Theorie von allem" auf der Grundlage der M-Theorie wird im XXI Jahrhundert gebaut.
Mit den Wörtern "Elektrizität", "elektrische Ladung", "elektrischer Strom" sind Sie schon oft zusammengekommen und haben sich daran gewöhnt. Aber versuchen Sie, die Frage zu beantworten: „Was ist eine elektrische Ladung?“ - und Sie werden sehen, dass es nicht so einfach ist. Tatsache ist, dass der Ladungsbegriff ein grundlegender, primärer Begriff ist, der auf dem gegenwärtigen Entwicklungsstand unseres Wissens nicht auf einfachere, elementare Begriffe reduziert werden kann.
Versuchen wir zunächst herauszufinden, was mit der Aussage gemeint ist: Ein gegebener Körper oder Teilchen hat eine elektrische Ladung.
Sie wissen, dass alle Körper aus kleinsten, unteilbaren in einfachere (soweit die Wissenschaft heute bekannt ist) Teilchen aufgebaut sind, die daher Elementarteilchen genannt werden. Alle Elementarteilchen haben eine Masse und werden aufgrund dessen nach dem Gesetz der universellen Gravitation mit einer Kraft angezogen, die mit zunehmendem Abstand relativ langsam abnimmt, umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Die meisten Elementarteilchen, wenn auch nicht alle, haben auch die Fähigkeit, mit einer Kraft, die ebenfalls umgekehrt mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, miteinander zu interagieren, aber diese Kraft ist um ein Vielfaches größer als die Schwerkraft. So. im Wasserstoffatom, schematisch dargestellt in Abbildung 91, wird das Elektron vom Kern (Proton) mit einer Kraft angezogen, die 101" mal größer ist als die Anziehungskraft der Schwerkraft.
Wenn Teilchen mit Kräften aufeinander einwirken, die mit der Entfernung langsam abnehmen und um ein Vielfaches größer sind als die Kräfte der universellen Gravitation, dann spricht man von einer elektrischen Ladung dieser Teilchen. Die Teilchen selbst werden geladen genannt. Es gibt Teilchen ohne elektrische Ladung, aber es gibt keine elektrische Ladung ohne Teilchen.
Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen werden als elektromagnetisch bezeichnet. Elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die die Intensität elektromagnetischer Wechselwirkungen bestimmt, so wie die Masse die Intensität gravitativer Wechselwirkungen bestimmt.
Die elektrische Ladung eines Elementarteilchens ist kein spezieller "Mechanismus" im Teilchen, der von ihm entfernt, in seine Bestandteile zerlegt und wieder zusammengesetzt werden könnte. Das Vorhandensein einer elektrischen Ladung auf einem Elektron und anderen Teilchen bedeutet nur die Existenz
bestimmte Kraftwechselwirkungen zwischen ihnen. Aber wir wissen im Wesentlichen nichts über die Ladung, wenn wir die Gesetze dieser Wechselwirkungen nicht kennen. Die Kenntnis der Wechselwirkungsgesetze sollte in unser Verständnis der Ladung einbezogen werden. Diese Gesetze sind nicht einfach, es ist unmöglich, sie mit wenigen Worten zu beschreiben. Aus diesem Grund ist es unmöglich, eine ausreichend zufriedenstellende, knappe Definition dessen zu geben, was eine elektrische Ladung ist.
Zwei Anzeichen für elektrische Ladungen. Alle Körper haben Masse und ziehen sich daher gegenseitig an. Geladene Körper können sich sowohl anziehen als auch abstoßen. Diese wichtigste Tatsache, die Sie aus dem Physikkurs der 7. Klasse kennen, bedeutet, dass es in der Natur Teilchen mit elektrischen Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen gibt. Teilchen mit gleichem Ladungsvorzeichen stoßen sich ab, mit unterschiedlichem Vorzeichen ziehen sie sich an.
Die Ladung von Elementarteilchen - Protonen, die Bestandteil aller Atomkerne sind, wird als positiv und die Ladung von Elektronen als negativ bezeichnet. Es gibt keine intrinsischen Unterschiede zwischen positiven und negativen Ladungen. Wenn die Vorzeichen der Teilchenladungen umgekehrt würden, würde sich die Natur der elektromagnetischen Wechselwirkungen überhaupt nicht ändern.
elementare Ladung. Neben Elektronen und Protonen gibt es noch einige andere Arten geladener Elementarteilchen. Aber nur Elektronen und Protonen können auf unbestimmte Zeit in freiem Zustand existieren. Der Rest der geladenen Teilchen lebt weniger als Millionstel Sekunden. Sie entstehen bei Kollisionen schneller Elementarteilchen und zerfallen, nachdem sie nur eine vernachlässigbare Zeit existiert haben, in andere Teilchen. Diese Teilchen lernen Sie in der Klasse X kennen.
Neutronen sind Teilchen, die keine elektrische Ladung haben. Seine Masse übersteigt die Masse eines Protons nur geringfügig. Neutronen gehören zusammen mit Protonen zum Atomkern.
Wenn ein Elementarteilchen eine Ladung hat, dann ist sein Wert, wie zahlreiche Experimente zeigen, streng definiert (eines dieser Experimente - die Erfahrung von Millikan und Ioffe - wurde in einem Lehrbuch für die Klasse VII beschrieben).
Es gibt eine Mindestladung, Elementarladung genannt, die alle geladenen Elementarteilchen besitzen. Ladungen von Elementarteilchen unterscheiden sich nur im Vorzeichen. Es ist beispielsweise unmöglich, einen Teil der Ladung von einem Elektron zu trennen.
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Es ist unmöglich, eine kurze, in jeder Hinsicht zufriedenstellende Definition von Ladung zu geben. Wir sind es gewohnt, verständliche Erklärungen für sehr komplexe Gebilde und Prozesse zu finden, wie etwa das Atom, Flüssigkristalle, die Verteilung von Molekülen über Geschwindigkeiten und so weiter. Aber die grundlegendsten, fundamentalsten Konzepte, unteilbar in einfachere, die nach heutiger Wissenschaft ohne jeden internen Mechanismus sind, können nicht auf zufriedenstellende Weise kurz erklärt werden. Vor allem, wenn die Objekte nicht direkt von unseren Sinnen wahrgenommen werden. Zu solch grundlegenden Begriffen gehört die elektrische Ladung.
Versuchen wir zunächst herauszufinden, nicht was eine elektrische Ladung ist, sondern was sich hinter der Aussage verbirgt, ein gegebener Körper oder Teilchen habe eine elektrische Ladung.
Sie wissen, dass alle Körper aus kleinsten, unteilbaren in einfachere (soweit die Wissenschaft heute bekannt ist) Teilchen aufgebaut sind, die daher Elementarteilchen genannt werden. Alle Elementarteilchen haben eine Masse und werden dadurch voneinander angezogen. Nach dem Gesetz der universellen Gravitation nimmt die Anziehungskraft mit zunehmendem Abstand zwischen ihnen relativ langsam ab: umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Darüber hinaus haben die meisten Elementarteilchen, wenn auch nicht alle, die Fähigkeit, mit einer Kraft miteinander zu interagieren, die ebenfalls umgekehrt mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, aber diese Kraft ist eine riesige Zahl, mal größer als die Schwerkraft. So wird im Wasserstoffatom, das schematisch in Abbildung 1 dargestellt ist, das Elektron vom Kern (Proton) mit einer Kraft angezogen, die 1039-mal größer ist als die Anziehungskraft der Schwerkraft.
Wenn Teilchen mit Kräften aufeinander einwirken, die mit der Entfernung langsam abnehmen und um ein Vielfaches größer sind als die Kräfte der universellen Gravitation, dann spricht man von einer elektrischen Ladung dieser Teilchen. Die Teilchen selbst werden geladen genannt. Es gibt Teilchen ohne elektrische Ladung, aber es gibt keine elektrische Ladung ohne Teilchen.
Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen werden als elektromagnetisch bezeichnet. Wenn wir sagen, dass Elektronen und Protonen elektrisch geladen sind, bedeutet dies, dass sie zu Wechselwirkungen einer bestimmten Art (elektromagnetisch) fähig sind, und nicht mehr. Das Fehlen einer Ladung auf den Partikeln bedeutet, dass es solche Wechselwirkungen nicht erkennt. Elektrische Ladung bestimmt die Intensität elektromagnetischer Wechselwirkungen, ebenso wie Masse die Intensität gravitativer Wechselwirkungen bestimmt. Die elektrische Ladung ist die zweitwichtigste Eigenschaft von Elementarteilchen (nach der Masse), die ihr Verhalten in der Umwelt bestimmt.
Auf diese Weise
Elektrische Ladung ist eine physikalische Skalargröße, die die Eigenschaft von Teilchen oder Körpern charakterisiert, elektromagnetische Kraftwechselwirkungen einzugehen.
Elektrische Ladung wird mit den Buchstaben q oder Q bezeichnet.
So wie in der Mechanik häufig der Begriff des materiellen Punktes verwendet wird, der es ermöglicht, die Lösung vieler Probleme erheblich zu vereinfachen, erweist sich bei der Untersuchung der Wechselwirkung von Ladungen der Begriff der Punktladung als wirkungsvoll. Eine Punktladung ist ein geladener Körper, dessen Abmessungen viel kleiner sind als der Abstand dieses Körpers zum Beobachtungspunkt und anderen geladenen Körpern. Spricht man insbesondere von der Wechselwirkung zweier Punktladungen, so nimmt man dabei an, dass der Abstand zwischen den beiden betrachteten geladenen Körpern viel größer ist als ihre Längenabmessungen.
Elektrische Ladung eines Elementarteilchens
Die elektrische Ladung eines Elementarteilchens ist kein spezieller „Mechanismus“ in einem Teilchen, der von ihm entfernt, in seine Bestandteile zerlegt und wieder zusammengesetzt werden könnte. Das Vorhandensein einer elektrischen Ladung in einem Elektron und anderen Teilchen bedeutet nur das Vorhandensein bestimmter Wechselwirkungen zwischen ihnen.
In der Natur gibt es Teilchen mit Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens. Die Ladung eines Protons wird als positiv, die eines Elektrons als negativ bezeichnet. Das positive Vorzeichen der Ladung eines Teilchens bedeutet natürlich nicht, dass es besondere Vorteile hat. Die Einführung von Ladungen mit zwei Zeichen drückt einfach die Tatsache aus, dass geladene Teilchen sowohl anziehen als auch abstoßen können. Teilchen mit gleichem Ladungsvorzeichen stoßen sich ab, mit unterschiedlichem Vorzeichen ziehen sie sich an.
Es gibt derzeit keine Erklärung für die Gründe für die Existenz von zwei Arten elektrischer Ladungen. Jedenfalls werden keine grundsätzlichen Unterschiede zwischen positiven und negativen Ladungen festgestellt. Wenn die Vorzeichen der elektrischen Ladungen der Teilchen umgekehrt würden, würde sich die Art der elektromagnetischen Wechselwirkungen in der Natur nicht ändern.
Positive und negative Ladungen sind im Universum sehr gut kompensiert. Und wenn das Universum endlich ist, dann ist seine gesamte elektrische Ladung aller Wahrscheinlichkeit nach gleich Null.
Das Bemerkenswerteste ist, dass die elektrische Ladung aller Elementarteilchen absolut gleich ist. Es gibt eine Mindestladung, Elementarladung genannt, die alle geladenen Elementarteilchen besitzen. Die Ladung kann positiv wie bei einem Proton oder negativ wie bei einem Elektron sein, aber der Ladungsmodul ist in allen Fällen gleich.
Es ist beispielsweise unmöglich, einen Teil der Ladung von einem Elektron zu trennen. Das ist vielleicht das Erstaunlichste. Keine moderne Theorie kann erklären, warum die Ladungen aller Teilchen gleich sind, und kann den Wert der minimalen elektrischen Ladung nicht berechnen. Sie wird experimentell mit Hilfe verschiedener Experimente bestimmt.
In den 1960er Jahren, nachdem die Zahl der neu entdeckten Elementarteilchen bedrohlich zu wachsen begann, wurde die Hypothese aufgestellt, dass alle stark wechselwirkenden Teilchen zusammengesetzt sind. Die fundamentaleren Teilchen wurden Quarks genannt. Als auffällig hat sich herausgestellt, dass Quarks eine gebrochene elektrische Ladung haben sollten: 1/3 und 2/3 der Elementarladung. Um Protonen und Neutronen aufzubauen, genügen zwei Arten von Quarks. Und ihre maximale Anzahl überschreitet anscheinend sechs nicht.
Einheit der elektrischen Ladung
