Was ist ein elementarteilchen. Klassifizierung von Elementarteilchen

Das Wort Atom bedeutet „unteilbar“. Es wurde von den griechischen Philosophen eingeführt, um die kleinsten Teilchen zu bezeichnen, aus denen nach ihrer Vorstellung die Materie besteht.

Physiker und Chemiker des 19. Jahrhunderts übernahmen den Begriff für die kleinsten ihnen bekannten Teilchen. Obwohl wir Atome schon lange „spalten“ können und das Unteilbare nicht mehr unteilbar ist, hat sich dieser Begriff dennoch erhalten. Nach unserer heutigen Vorstellung besteht das Atom aus den kleinsten Teilchen, die wir nennen Elementarteilchen. Es gibt auch andere Elementarteilchen, die eigentlich kein Bestandteil von Atomen sind. Sie werden normalerweise mit leistungsstarken Zyklotronen, Synchrotrons und anderen Teilchenbeschleunigern hergestellt, die speziell für die Untersuchung dieser Teilchen entwickelt wurden. Sie entstehen auch, wenn kosmische Strahlung die Atmosphäre durchdringt. Diese Elementarteilchen zerfallen nach wenigen Millionstel Sekunden, oft sogar noch kürzer nach ihrem Erscheinen. Durch den Zerfall verändern sie sich entweder zu anderen Elementarteilchen oder setzen Energie in Form von Strahlung frei.

Die Erforschung der Elementarteilchen konzentriert sich auf die immer größer werdende Zahl kurzlebiger Elementarteilchen. Obwohl dieses Problem insbesondere deshalb von großer Bedeutung ist, weil es mit den grundlegendsten Gesetzen der Physik zusammenhängt, wird die Erforschung der Teilchen heute dennoch fast isoliert von anderen Zweigen der Physik betrieben. Aus diesem Grund beschränken wir uns darauf, nur die Partikel zu betrachten, die fester Bestandteil der gängigsten Materialien sind, sowie einige Partikel, die ihnen sehr nahe stehen. Das erste der Ende des 19. Jahrhunderts entdeckten Elementarteilchen war das Elektron, das sich dann zu einem äußerst nützlichen Diener entwickelte. In Radioröhren bewegt sich der Elektronenfluss im Vakuum; und durch die Anpassung dieses Flusses werden eingehende Funksignale verstärkt und in Ton oder Rauschen umgewandelt. In einem Fernsehgerät dient der Elektronenstrahl als Stift, der das, was die Kamera des Senders sieht, sofort und genau auf dem Empfängerbildschirm wiedergibt. In beiden Fällen bewegen sich die Elektronen im Vakuum, sodass möglichst nichts ihre Bewegung stört. Eine weitere nützliche Eigenschaft ist ihre Fähigkeit, das Gas beim Durchströmen zum Leuchten zu bringen. Indem wir Elektronen bei einem bestimmten Druck durch eine mit Gas gefüllte Glasröhre passieren lassen, nutzen wir dieses Phänomen, um Neonlicht zu erzeugen, das nachts zur Beleuchtung großer Städte verwendet wird. Und hier ist ein weiteres Treffen mit Elektronen: Blitze blitzen auf, und Myriaden von Elektronen, die durch die Dicke der Luft brechen, erzeugen ein rollendes Donnergeräusch.

Unter irdischen Bedingungen gibt es jedoch eine relativ kleine Anzahl von Elektronen, die sich frei bewegen können, wie wir in den vorherigen Beispielen gesehen haben. Die meisten von ihnen sind fest in Atomen gebunden. Da der Kern eines Atoms positiv geladen ist, zieht er negativ geladene Elektronen an sich und zwingt sie, in Umlaufbahnen zu bleiben, die relativ nahe am Kern liegen. Ein Atom besteht normalerweise aus einem Kern und einer Anzahl von Elektronen. Verlässt ein Elektron ein Atom, wird es meist sofort durch ein anderes Elektron ersetzt, das der Atomkern mit großer Kraft aus seiner unmittelbaren Umgebung anzieht.

Wie sieht dieses wunderbare Elektron aus? Niemand hat ihn gesehen und wird ihn nie sehen; und doch kennen wir seine Eigenschaften so gut, dass wir sehr detailliert vorhersagen können, wie er sich in den unterschiedlichsten Situationen verhalten wird. Wir kennen seine Masse (sein „Gewicht“) und seine elektrische Ladung. Wir wissen, dass er sich die meiste Zeit so verhält, als würde er einem sehr kleinen gegenüberstehen Partikel, in anderen Fällen offenbart es die Eigenschaften Wellen. Eine äußerst abstrakte, aber gleichzeitig sehr präzise Theorie des Elektrons wurde vor einigen Jahrzehnten von dem englischen Physiker Dirac in ihrer endgültigen Form vorgeschlagen. Diese Theorie gibt uns die Möglichkeit zu bestimmen, unter welchen Umständen das Elektron eher einem Teilchen gleicht und unter welchen Umständen sein Wellencharakter überwiegt. Diese duale Natur – Teilchen und Welle – macht es schwierig, ein klares Bild des Elektrons zu geben; Daher muss eine Theorie, die diese beiden Konzepte berücksichtigt und dennoch eine vollständige Beschreibung des Elektrons liefert, sehr abstrakt sein. Aber es wäre unvernünftig, die Beschreibung eines so bemerkenswerten Phänomens wie des Elektrons auf solche irdischen Bilder wie Erbsen und Wellen zu beschränken.

Eine der Prämissen von Diracs Theorie des Elektrons war, dass es ein Elementarteilchen geben muss, das die gleichen Eigenschaften wie das Elektron hat, außer dass es positiv und nicht negativ geladen ist. Tatsächlich wurde ein solcher Elektronenzwilling entdeckt und benannt Positron. Sie ist Teil der kosmischen Strahlung und entsteht auch beim Zerfall bestimmter radioaktiver Substanzen. Unter irdischen Bedingungen ist die Lebensdauer eines Positrons kurz. Sobald es sich in der Nähe eines Elektrons befindet, was bei allen Stoffen vorkommt, „vernichten“ sich Elektron und Positron gegenseitig; Die positive elektrische Ladung des Positrons neutralisiert die negative Ladung des Elektrons. Da Masse nach der Relativitätstheorie eine Form von Energie ist und Energie "unzerstörbar" ist, muss die Energie, die durch die kombinierten Massen von Elektron und Positron repräsentiert wird, irgendwie gespeichert werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Photon (Lichtquant) oder meist zwei Photonen, die bei dieser fatalen Kollision emittiert werden; ihre Energie ist gleich der Gesamtenergie von Elektron und Positron.

Wir wissen auch, dass auch der umgekehrte Prozess abläuft, ein Photon kann unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel in der Nähe eines Atomkerns, ein Elektron und ein Positron „aus dem Nichts“ erzeugen. Für eine solche Schöpfung muss es eine Energie haben, die mindestens gleich der Energie ist, die der Gesamtmasse von Elektron und Positron entspricht.

Daher sind Elementarteilchen nicht ewig oder dauerhaft. Sowohl Elektronen als auch Positronen können kommen und gehen; Energie und die daraus resultierenden elektrischen Ladungen bleiben jedoch erhalten.

Mit Ausnahme des Elektrons ist das uns viel früher bekannte Elementarteilchen als kein anderes Teilchen das relativ seltene Positron, aber nicht Proton ist der Kern des Wasserstoffatoms. Wie das Positron ist es positiv geladen, aber seine Masse ist etwa zweitausendmal größer als die Masse des Positrons oder Elektrons. Wie diese Teilchen zeigt auch das Proton manchmal Welleneigenschaften, aber nur unter ganz besonderen Bedingungen. Dass seine Wellennatur weniger ausgeprägt ist, ist tatsächlich eine direkte Folge seiner viel größeren Masse. Die für alle Materie charakteristische Wellennatur wird für uns erst dann von großer Bedeutung, wenn wir beginnen, mit außergewöhnlich leichten Teilchen, wie zB Elektronen, zu arbeiten.

Das Proton ist ein ganz gewöhnliches Teilchen: Das Wasserstoffatom besteht aus einem Proton, das sein Kern ist, und einem Elektron, das es umkreist. Das Proton ist auch Bestandteil aller anderen Atomkerne.

Theoretische Physiker sagten voraus, dass das Proton wie das Elektron ein Antiteilchen hat. Öffnung negatives Proton oder Antiproton, das die gleichen Eigenschaften wie das Proton hat, aber negativ geladen ist, bestätigte diese Vorhersage. Der Stoß eines Antiprotons mit einem Proton "vernichtet" beide in gleicher Weise wie der Stoß eines Elektrons mit einem Positron.

Noch ein Elementarteilchen Neutron, hat fast die gleiche Masse wie ein Proton, ist aber elektrisch neutral (überhaupt keine elektrische Ladung). Seine Entdeckung in den dreißiger Jahren unseres Jahrhunderts – etwa zeitgleich mit der Entdeckung des Positrons – war für die Kernphysik von großer Bedeutung. Das Neutron ist Teil aller Atomkerne (mit Ausnahme natürlich des gewöhnlichen Kerns des Wasserstoffatoms, der einfach ein freies Proton ist); Wenn ein Atomkern zerfällt, setzt er ein (oder mehrere) Neutronen frei. Die Explosion einer Atombombe erfolgt durch Neutronen, die aus den Kernen von Uran oder Plutonium freigesetzt werden.

Da Protonen und Neutronen zusammen Atomkerne bilden und beide Nukleonen genannt werden, verwandelt sich ein freies Neutron nach einiger Zeit in ein Proton und ein Elektron.

Wir kennen ein anderes Teilchen namens Antineutron, das wie das Neutron elektrisch neutral ist. Es hat viele der Eigenschaften eines Neutrons, aber einer der grundlegenden Unterschiede besteht darin, dass ein Antineutron in ein Antiproton und ein Elektron zerfällt. Kollision, Neutron und Antineutron zerstören sich gegenseitig,

Photon, oder Lichtquant, ein äußerst interessantes Elementarteilchen. Wollen wir ein Buch lesen, schalten wir die Glühbirne ein. So erzeugt die mitgelieferte Glühbirne eine Unmenge an Photonen, die mit Lichtgeschwindigkeit auf das Buch, aber auch in alle anderen Ecken des Raumes sausen. Einige von ihnen, die gegen die Wände schlagen, sterben sofort, andere schlagen immer wieder auf und prallen von den Wänden anderer Objekte ab, aber nach weniger als einer Millionstel Sekunde von dem Moment an, in dem sie erscheinen, sterben sie alle, mit Ausnahme einiger weniger denen es gelingt, durch das Fenster zu entkommen und in den Weltraum zu schlüpfen. Die zur Erzeugung von Photonen benötigte Energie wird von Elektronen geliefert, die durch eine eingeschaltete Glühbirne fließen; Beim Sterben geben Photonen diese Energie an ein Buch oder einen anderen Gegenstand ab, wodurch es erwärmt wird, oder an das Auge, wodurch die Sehnerven stimuliert werden.

Die Energie eines Photons und damit seine Masse bleibt nicht unverändert: Es gibt sehr leichte neben sehr schweren Photonen. Die Photonen, die gewöhnliches Licht erzeugen, sind sehr leicht, ihre Masse beträgt nur wenige Millionstel der Masse eines Elektrons. Andere Photonen haben etwa die gleiche Masse wie die Masse eines Elektrons und sogar noch viel mehr. Beispiele für schwere Photonen sind Röntgen- und Gammastrahlen.

Generell gilt: Je leichter das Elementarteilchen, desto ausdrucksstärker seine Wellennatur. Die schwersten Elementarteilchen - Protonen - zeigen relativ schwache Welleneigenschaften; sie sind etwas stärker für Elektronen; die stärksten sind die von Photonen. Tatsächlich wurde die Wellennatur des Lichts viel früher entdeckt als seine korpuskulären Eigenschaften. Wir wissen, dass Licht nichts anderes ist als die Bewegung elektromagnetischer Wellen, seit Maxwell es in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts demonstriert hat, aber es waren Planck und Einstein zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts, die entdeckten, dass Licht auch korpuskuläre Eigenschaften hat es emittiert manchmal in Form von separaten "Quanten" oder mit anderen Worten in Form eines Photonenstroms. Es kann nicht geleugnet werden, dass es schwierig ist, diese beiden scheinbar unähnlichen Vorstellungen von der Natur des Lichts in unserem Geist zu vereinen und miteinander zu verschmelzen; aber wir können sagen, dass unsere Vorstellung von einem so schwer fassbaren Phänomen wie Licht, wie die „duale Natur“ des Elektrons, sehr abstrakt sein muss. Und nur wenn wir unsere Idee grob ausdrücken wollen, müssen wir Licht manchmal mit einem Strom von Teilchen, Photonen oder einer Wellenbewegung elektromagnetischer Natur vergleichen.

Es besteht eine Beziehung zwischen der korpuskulären Natur des Phänomens und seinen "Wellen"-Eigenschaften. Je schwerer das Teilchen ist, desto kürzer ist seine entsprechende Wellenlänge; je länger die Wellenlänge, desto leichter das entsprechende Teilchen. Röntgenstrahlen, die aus sehr schweren Photonen bestehen, haben entsprechend sehr kurze Wellenlängen. Rotes Licht, das eine längere Wellenlänge als blaues Licht hat, besteht aus leichteren Photonen als blaue Lichtphotonen. Die längsten elektromagnetischen Wellen, die es gibt – Radiowellen – bestehen aus winzigen Photonen. Diese Wellen weisen nicht im Geringsten die Eigenschaften von Teilchen auf, ihre Wellennatur ist die völlig dominierende Eigenschaft.

Und schließlich ist das kleinste aller kleinen Elementarteilchen Neutrino. Es ist frei von elektrischer Ladung, und wenn es irgendeine Masse hat, dann ist es nahe Null. Mit etwas Übertreibung können wir sagen, dass das Neutrino einfach keine Eigenschaften hat.

Unser Wissen über Elementarteilchen ist die moderne Grenze der Physik. Das Atom wurde im 19. Jahrhundert entdeckt, und Wissenschaftler der damaligen Zeit entdeckten eine wachsende Zahl verschiedener Arten von Atomen; ebenso finden wir heute immer mehr elementarteilchen. Und obwohl bewiesen ist, dass Atome aus Elementarteilchen bestehen, können wir nicht erwarten, dass man analog findet, dass Elementarteilchen aus noch kleineren Teilchen bestehen. Das Problem, dem wir heute gegenüberstehen, ist ein ganz anderes, und es gibt nicht das geringste Anzeichen dafür, dass wir Elementarteilchen spalten können. Vielmehr ist zu hoffen, dass sich zeigen wird, dass alle Elementarteilchen Manifestationen eines noch grundlegenderen Phänomens sind. Und wenn es gelänge, dies festzustellen, könnten wir alle Eigenschaften von Elementarteilchen verstehen; ihre Massen berechnen und wie sie interagieren. Es wurden viele Versuche unternommen, sich der Lösung dieses Problems zu nähern, das eines der wichtigsten Probleme der Physik ist.

Elementarteilchen sind Teilchen, die noch keine innere Struktur gefunden haben. Noch im letzten Jahrhundert galten Atome als Elementarteilchen. Ihre innere Struktur – Kerne und Elektronen – wurde Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt. in den Experimenten von E. Rutherford. Die Größe von Atomen beträgt etwa 10 -8 cm, Kerne sind zehntausendmal kleiner und die Größe von Elektronen ist sehr klein. Sie beträgt weniger als 10 -16 cm, wie aus modernen Theorien und Experimenten hervorgeht.

Das Elektron ist also jetzt ein Elementarteilchen. Was die Kerne betrifft, so wurde ihre innere Struktur kurz nach ihrer Entdeckung enthüllt. Sie bestehen aus Nukleonen - Protonen und Neutronen. Kerne sind ziemlich dicht: Der durchschnittliche Abstand zwischen Nukleonen beträgt nur ein paar Mal ihre eigene Größe. Um herauszufinden, woraus Nukleonen bestehen, dauerte es etwa ein halbes Jahrhundert, aber gleichzeitig tauchten andere Rätsel der Natur auf und wurden gelöst.

Nukleonen bestehen aus drei Quarks, die mit der gleichen Präzision wie ein Elektron elementar sind, d.h. ihr Radius ist kleiner als 10 -16 cm Der Radius von Nukleonen - die Größe der von Quarks eingenommenen Fläche - beträgt etwa 10 -13 cm. Teilchen - Baryonen, bestehend aus drei verschiedenen (oder identischen) Quarks. Quarks können auf unterschiedliche Weise Tripel bilden, was die Unterschiede in den Eigenschaften eines Baryons bestimmt, zum Beispiel kann es einen anderen Spin haben.

Außerdem können sich Quarks zu Paaren verbinden - Mesonen, bestehend aus einem Quark und einem Antiquark. Der Spin von Mesonen nimmt ganzzahlige Werte an, während er für Baryonen halbzahlige Werte annimmt. Zusammen werden Baryonen und Mesonen als Hadronen bezeichnet.

Quarks wurden nicht in freier Form gefunden, und nach derzeit akzeptierten Konzepten können sie nur in Form von Hadronen existieren. Vor der Entdeckung der Quarks galten Hadronen einige Zeit als Elementarteilchen (und dieser Name ist in der Literatur immer noch recht geläufig).

Der erste experimentelle Hinweis auf die zusammengesetzte Struktur von Hadronen waren Experimente zur Streuung von Elektronen an Protonen am Linearbeschleuniger in Stanford (USA), die nur durch die Annahme einiger Punktobjekte im Inneren des Protons erklärt werden konnten.

Schnell wurde klar, dass es sich um Quarks handelte, deren Existenz schon früher von Theoretikern angenommen wurde.

Hier ist eine Tabelle moderner Elementarteilchen. Neben sechs Arten von Quarks (nur fünf sind bisher in Experimenten aufgetaucht, aber Theoretiker vermuten, dass es auch eine sechste gibt), listet diese Tabelle Leptonen auf – Teilchen, zu denen auch das Elektron gehört. In dieser Familie wurden auch das Myon und (vor kurzem) das t-Lepton entdeckt. Jedes von ihnen hat sein eigenes Neutrino, so dass sich die Leptonen auf natürliche Weise in drei Paare e, n e aufspalten; m, n m ;t, n t .

Jedes dieser Paare verbindet sich mit dem entsprechenden Quarkpaar zu einem Quadrupel, das Generation genannt wird. Die Eigenschaften von Partikeln wiederholen sich von Generation zu Generation, wie aus der Tabelle ersichtlich ist. Nur die Massen unterscheiden sich. Die zweite Generation ist schwerer als die erste und die dritte Generation ist schwerer als die zweite.

In der Natur gibt es hauptsächlich Teilchen der ersten Generation, der Rest wird künstlich an Beschleunigern für geladene Teilchen oder während der Wechselwirkung kosmischer Strahlung in der Atmosphäre erzeugt.

Neben Quarks mit Spin 1/2 und Leptonen, die zusammen Materieteilchen genannt werden, listet die Tabelle auch Teilchen mit Spin 1 auf. Das sind die Quanten der von den Materieteilchen erzeugten Felder. Das bekannteste Teilchen davon ist das Photon, ein Quant des elektromagnetischen Feldes.

Die sogenannten intermediären Bosonen W+ und W- , die sehr große Massen haben, wurden kürzlich in Experimenten auf Zählern entdeckt R-Strahlen mit Energien von mehreren hundert GeV. Diese sind Träger schwacher Wechselwirkungen zwischen Quarks und Leptonen. Und schließlich sind Gluonen Träger starker Wechselwirkungen zwischen Quarks. Wie die Quarks selbst kommen auch Gluonen nicht in freier Form vor, sondern treten in Zwischenstadien der Entstehungs- und Vernichtungsreaktionen von Hadronen auf. Kürzlich wurden von Gluonen erzeugte Hadronenjets entdeckt. Da alle Vorhersagen der Theorie der Quarks und Gluonen – der Quantenchromodynamik – mit der Erfahrung übereinstimmen, gibt es fast keinen Zweifel an der Existenz von Gluonen.

Ein Teilchen mit Spin 2 ist ein Graviton. Seine Existenz ergibt sich aus Einsteins Gravitationstheorie, den Prinzipien der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie. Es wird äußerst schwierig sein, das Graviton experimentell nachzuweisen, da es sehr schwach mit Materie wechselwirkt.

Schließlich zeigt die Tabelle mit einem Fragezeichen Teilchen mit Spin 0 (H-Mesonen) und 3/2 (Gravitinos); sie wurden nicht experimentell gefunden, aber ihre Existenz wird in vielen modernen theoretischen Modellen angenommen.

Elementarteilchen

rotieren 0? 1/2 1 3/2 2?
Titel Higgs-Partikel Teilchen der Materie Feldquanten
Quarks Leptonen Photon Vektorbosonen Gluon gravitino Graviton
Symbol H u d Ne e g Z W g
(Last) (?) (?) (0,5) (0) (~95 GeV) (~80 GeV) (?) (?)
Symbol mit s nm m
(Last) (0?) (106)
Symbol t b n t t
(Last) (0?) (1784)
Baryonenladung 0 1/3 1/3 0 0 0 0 0 0 0 0
Elektrische Ladung 0,±1 2/3 1/3 0 -1 0 0 ±1 0 0 0
Farbe - 3 3 - - - - - 8 - -

Hadronen – der allgemeine Name für Teilchen, die an starken Wechselwirkungen beteiligt sind . Der Name kommt aus dem Griechischen und bedeutet „stark, groß“. Alle Hadronen sind in zwei große Gruppen unterteilt - Mesonen und Baryonen.

Baryonen(vom griechischen Wort für „schwer“) sind Hadronen mit halbzahligem Spin . Die bekanntesten Baryonen sind Proton und Neutron . Baryonen umfassen auch eine Anzahl von Teilchen mit einer Quantenzahl, die einmal genannt wurde Kuriosität. Die Einheit der Seltsamkeit besitzen das Lambda-Baryon (L°) und die Familie der Sigma-Baryonen (S - , S+ und S°). Indizes +, -, 0 geben das Vorzeichen der elektrischen Ladung bzw. die Neutralität des Teilchens an. Baryonen xy (X - und X°) haben zwei Seltsamkeitseinheiten. Baryon W - hat eine Fremdheit von drei. Die Massen der aufgeführten Baryonen betragen etwa die anderthalbfache Masse des Protons, und ihre charakteristische Lebensdauer beträgt etwa 10 -10 s. Denken Sie daran, dass das Proton praktisch stabil ist, während das Neutron länger als 15 Minuten lebt. Es scheint, dass schwerere Baryonen sehr kurzlebig sind, aber auf der Skala des Mikrokosmos ist dies nicht so. Ein solches Teilchen, selbst wenn es sich relativ langsam bewegt, mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 10 % der Lichtgeschwindigkeit, schafft es, eine Strecke von mehreren Millimetern zurückzulegen und seine Spuren im Detektor für Elementarteilchen zu hinterlassen. Eine der Eigenschaften von Baryonen, die sie von anderen Arten von Teilchen unterscheidet, kann als das Vorhandensein einer konservierten Baryonenladung angesehen werden. Dieser Wert wurde eingeführt, um die experimentelle Tatsache der Konstanz in allen bekannten Prozessen der Differenz zwischen der Anzahl von Baryonen und Antibaryonen zu beschreiben.

Proton- ein stabiles Teilchen aus der Klasse der Hadronen, dem Kern eines Wasserstoffatoms. Es ist schwer zu sagen, welches Ereignis als Entdeckung des Protons zu werten ist, schließlich ist es als Wasserstoffion seit langem bekannt. Die Schaffung des Planetenmodells des Atoms durch E. Rutherford (1911) und die Entdeckung von Isotopen (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) und die Beobachtung von Wasserstoffkernen, die durch Alpha ausgeknockt wurden Teilchen aus Stickstoffkernen spielten bei der Entdeckung des Protons eine Rolle (E. Rutherford, 1919). 1925 erhielt P. Blackett die ersten Fotografien von Protonenspuren in einer Nebelkammer (siehe Kernstrahlungsdetektoren), die die Entdeckung der künstlichen Umwandlung von Elementen bestätigten. Bei diesen Experimenten wurde das a-Teilchen von einem Stickstoffkern eingefangen, der ein Proton abgab und sich in ein Sauerstoffisotop verwandelte.

Zusammen mit Neutronen bilden Protonen die Atomkerne aller chemischen Elemente, und die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die Ordnungszahl eines bestimmten Elements. Das Proton hat eine positive elektrische Ladung, die gleich der Elementarladung ist, also dem absoluten Wert der Elektronenladung. Dies wurde experimentell mit einer Genauigkeit von 10 -21 verifiziert. Protonenmasse m p \u003d (938,2796 ± 0,0027) MeV oder ~ 1,6-10 -24 g, d. H. Das Proton ist 1836-mal schwerer als das Elektron! Aus heutiger Sicht ist das Proton kein echtes Elementarteilchen: Es besteht aus zwei u-Quarks mit elektrischen Ladungen +2/3 (in Einheiten der Elementarladung) und eins d-Quark mit elektrischer Ladung -1/3. Quarks sind durch den Austausch anderer hypothetischer Teilchen miteinander verbunden - Gluonen, Quanten des Feldes, das starke Wechselwirkungen trägt. Die experimentellen Daten, in denen die Prozesse der Streuung von Elektronen an Protonen berücksichtigt wurden, bezeugen tatsächlich das Vorhandensein von Punktstreuzentren innerhalb von Protonen. Diese Experimente sind in gewisser Weise denen von Rutherford sehr ähnlich, die zur Entdeckung des Atomkerns führten. Als zusammengesetztes Teilchen hat das Proton eine endliche Größe von ~ 10 -13 cm, obwohl es natürlich nicht als feste Kugel dargestellt werden kann. Vielmehr ähnelt das Proton einer Wolke mit unscharfer Grenze, die aus entstehenden und vernichtenden virtuellen Teilchen besteht.

Das Proton ist, wie alle Hadronen, an jeder der grundlegenden Wechselwirkungen beteiligt. So. starke Wechselwirkungen binden Protonen und Neutronen in Kernen, elektromagnetische Wechselwirkungen - Protonen und Elektronen in Atomen. Beispiele für schwache Wechselwirkungen sind der Beta-Zerfall eines Neutrons oder die intranukleare Umwandlung eines Protons in ein Neutron unter Emission eines Positrons und eines Neutrinos (für ein freies Proton ist ein solcher Vorgang aufgrund des Erhaltungs- und Umwandlungsgesetzes unmöglich). Energie, da das Neutron eine etwas größere Masse hat). Der Protonenspin ist 1/2. Hadronen mit halbzahligem Spin heißen Baryonen (vom griechischen Wort für „schwer“). Zu den Baryonen gehören das Proton, Neutron, verschiedene Hyperonen (L, S, X, W) und eine Reihe von Teilchen mit neuen Quantenzahlen, von denen die meisten noch nicht entdeckt wurden. Um Baryonen zu charakterisieren, wurde eine spezielle Zahl eingeführt - die Baryonenladung, gleich 1 für Baryonen, - 1 - für Antibaryonen und O - für alle anderen Teilchen. Die Baryonenladung ist keine Quelle des Baryonenfeldes, sie wurde nur eingeführt, um die bei Reaktionen mit Teilchen beobachteten Regelmäßigkeiten zu beschreiben. Diese Gesetzmäßigkeiten werden in Form des Bausgedrückt: Die Differenz zwischen der Anzahl von Baryonen und Antibaryonen im System bleibt bei allen Reaktionen erhalten. Die Erhaltung der Baryonenladung macht den Zerfall des Protons unmöglich, da es das leichteste der Baryonen ist. Dieses Gesetz ist empirischer Natur und muss natürlich experimentell getestet werden. Die Genauigkeit des Erhaltungssatzes der Baryonenladung wird durch die Stabilität des Protons charakterisiert, dessen experimentelle Abschätzung für die Lebensdauer einen Wert von mindestens 1032 Jahren ergibt.

ELEMENTARTEILCHEN- primäre, weitere unzersetzbare Teilchen, aus denen alle Materie zusammengesetzt sein soll. In der modernen Physik wird der Begriff "Elementarteilchen" normalerweise verwendet, um eine große Gruppe kleinster Materieteilchen zu bezeichnen, die keine Atome (siehe Atom) oder Atomkerne (siehe Atomkern) sind; die Ausnahme ist der Kern des Wasserstoffatoms - das Proton.

In den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts waren der Wissenschaft mehr als 500 Elementarteilchen bekannt, von denen die meisten instabil sind. Elementarteilchen umfassen Proton (p), Neutron (n), Elektron (e), Photon (γ), Pi-Mesonen (π), Myonen (μ), schwere Leptonen (τ + , τ -), Neutrinos von drei Arten - elektronisch (V e), Myon (V μ) und assoziiert mit dem sogenannten schweren Depton (V τ), sowie „fremde“ Teilchen (K-Mesonen und Hyperonen), verschiedene Resonanzen, Mesonen mit verborgenem Charme, „bezaubert "Teilchen, Ypsilon-Teilchen (Υ), "schöne" Teilchen, Zwischenvektorbosonen usw. Es entstand ein eigenständiger Zweig der Physik - die Elementarteilchenphysik.

Die Geschichte der Elementarteilchenphysik begann 1897, als J. J. Thomson das Elektron entdeckte (siehe Elektronische Strahlung); 1911 maß R. Millikan die Größe seiner elektrischen Ladung. Der Begriff „Photon“ – ein Lichtquant – wurde 1900 von Planck (M. Planck) eingeführt. Direkte experimentelle Beweise für die Existenz des Photons wurden von Millikan (1912-1915) und Compton (A. H. Compton, 1922) erhalten. Bei der Untersuchung des Atomkerns entdeckte E. Rutherford das Proton (siehe Protonenstrahlung) und 1932 Chadwick (J. Chadwick) - das Neutron (siehe Neutronenstrahlung). 1953 wurde die Existenz des Neutrinos, das W. Pauli bereits 1930 vorhergesagt hatte, experimentell nachgewiesen.

Elementarteilchen werden in drei Gruppen eingeteilt. Das erste wird durch ein einzelnes Elementarteilchen dargestellt - ein Photon, ein γ-Quant oder ein Quant elektromagnetischer Strahlung. Die zweite Gruppe sind Leptonen (griechisch leptos klein, leicht), die neben elektromagnetischen auch an schwachen Wechselwirkungen teilnehmen. Sechs Leptonen sind bekannt: das Elektron und das Elektron-Neutrino, das Myon und das Myon-Neutrino, das schwere τ-Lepton und das entsprechende Neutrino. Die dritte - die Hauptgruppe der Elementarteilchen - sind Hadronen (griechisch Hadros groß, stark), die an allen Arten von Wechselwirkungen teilnehmen, einschließlich starker Wechselwirkungen (siehe unten). Hadronen umfassen zwei Arten von Teilchen: Baryonen (griechisch barys schwer) – Teilchen mit halbzahligem Spin und einer Masse, die nicht kleiner ist als die Masse eines Protons, und Mesonen (griechisch mesos medium) – Teilchen mit null oder ganzzahligem Spin (siehe Elektron paramagnetische Resonanz). Zu den Baryonen gehören Protonen und Neutronen, Hyperonen, Teilresonanzen und "verzauberte" Teilchen und einige andere Elementarteilchen. Das einzige stabile Baryon ist das Proton, der Rest der Baryonen ist instabil (das Neutron im freien Zustand ist ein instabiles Teilchen, aber im gebundenen Zustand innerhalb stabiler Atomkerne ist es stabil. Mesonen haben ihren Namen wegen der Massen der ersten entdeckte Mesonen - das Pi-Meson und das K-Meson - hatten Werte zwischen den Massen eines Protons und eines Elektrons. Später wurden Mesonen entdeckt, deren Masse die Masse eines Protons übersteigt. Hadronen sind auch gekennzeichnet durch Seltsamkeit (S) - Null, positive oder negative Quantenzahl. Hadronen mit null Seltsamkeit werden gewöhnlich genannt, und mit S ≠ 0 - seltsam G. Zweig und M. Gell-Mann schlugen 1964 unabhängig voneinander die Quarkstruktur von Hadronen vor. Die Ergebnisse von Eine Reihe von Experimenten weist darauf hin, dass Quarks echte Materialformationen innerhalb von Hadronen sind und eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften haben, zum Beispiel eine fraktionierte elektrische Ladung usw. Im freien Zustand werden Quarks nicht beobachtet ob. Es wird angenommen, dass alle Hadronen aufgrund verschiedener Kombinationen von Quarks gebildet werden.

Zunächst wurden Elementarteilchen in der Untersuchung des radioaktiven Zerfalls (siehe Radioaktivität) und der kosmischen Strahlung (siehe) untersucht. Seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts wird die Elementarteilchenforschung jedoch an Beschleunigern für geladene Teilchen betrieben (siehe), in denen beschleunigte Teilchen ein Ziel beschießen oder mit entgegenfliegenden Teilchen kollidieren. In diesem Fall interagieren die Partikel miteinander, wodurch ihre gegenseitige Umwandlung stattfindet. So wurden die meisten Elementarteilchen entdeckt.

Jedes Elementarteilchen wird zusammen mit den Besonderheiten seiner inhärenten Wechselwirkungen durch eine Reihe diskreter Werte bestimmter physikalischer Größen beschrieben, die als ganze oder gebrochene Zahlen (Quantenzahlen) ausgedrückt werden. Die gemeinsamen Eigenschaften aller Elementarteilchen sind Masse (m), Lebensdauer (t), Spin (J) - das Eigenimpulsmoment von Elementarteilchen, das Quantennatur hat und nicht mit der Bewegung des Teilchens als Ganzes verbunden ist , elektrische Ladung (Ω) und magnetisches Moment (µ). Die elektrischen Ladungen der untersuchten Elementarteilchen sind im Betrag ganzzahlige Vielfache der Elektronenladung (e≈1,6*10 -10 k). Bekannte Elementarteilchen haben elektrische Ladungen gleich 0, ±1 und ±2.

Alle Elementarteilchen haben entsprechende Antiteilchen, deren Masse und Spin gleich der Masse und dem Spin des Teilchens sind, und die elektrische Ladung, das magnetische Moment und andere Eigenschaften sind im Absolutwert gleich und haben ein entgegengesetztes Vorzeichen. Das Antiteilchen eines Elektrons ist beispielsweise ein Positron – ein Elektron mit positiver elektrischer Ladung. Ein Elementarteilchen, das mit seinem Antiteilchen identisch ist, wird wirklich neutral genannt, zum Beispiel ein Neutron und ein Antineutron, ein Neutrino und ein Antineutrino usw. Wenn Antiteilchen miteinander wechselwirken, vernichten sie sich (siehe).

Wenn ein Elementarteilchen in die materielle Umgebung eintritt, interagieren sie mit dieser. Es gibt starke, elektromagnetische, schwache und gravitative Wechselwirkungen. Zwischen Elementarteilchen, die sich in einem Abstand von weniger als 10 -15 m (1 Fermi) befinden, tritt eine starke Wechselwirkung (stärker als elektromagnetisch) auf. Bei Abständen größer als 1,5 Fermi ist die Wechselwirkungskraft zwischen Teilchen nahe Null. Es sind die starken Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen, die für die außergewöhnliche Festigkeit von Atomkernen sorgen, die der Stabilität der Materie unter irdischen Bedingungen zugrunde liegt. Ein charakteristisches Merkmal der starken Wechselwirkung ist ihre Unabhängigkeit von der elektrischen Ladung. Hadronen sind zu starker Wechselwirkung fähig. Starke Wechselwirkungen verursachen den Zerfall kurzlebiger Teilchen (Lebensdauer in der Größenordnung von 10 -23 - 10 -24 Sek.), die als Resonanzen bezeichnet werden.

Alle geladenen Elementarteilchen, Photonen und neutralen Teilchen, die ein magnetisches Moment haben (z. B. Neutronen), unterliegen einer elektromagnetischen Wechselwirkung. Im Zentrum der elektromagnetischen Wechselwirkungen steht die Verbindung mit dem elektromagnetischen Feld. Die Kräfte der elektromagnetischen Wechselwirkung sind etwa 100-mal schwächer als die Kräfte der starken Wechselwirkung. Der Hauptbereich der elektromagnetischen Wechselwirkung sind Atome und Moleküle (siehe Molekül). Diese Wechselwirkung bestimmt die Struktur von Feststoffen, die Art der Chemikalie. Prozesse. Sie ist nicht durch den Abstand zwischen Elementarteilchen begrenzt, daher ist die Größe eines Atoms etwa 10 4 mal größer als die Größe des Atomkerns.

Schwache Wechselwirkungen liegen extrem langsamen Prozessen zugrunde, an denen Elementarteilchen beteiligt sind. Beispielsweise können Neutrinos mit schwachen Wechselwirkungen ungehindert die Dicke der Erde und der Sonne durchdringen. Schwache Wechselwirkungen verursachen auch langsame Zerfälle der sogenannten quasistabilen Elementarteilchen, deren Lebensdauer im Bereich von 10 8 - 10 -10 sec liegt. Elementarteilchen, die bei starker Wechselwirkung (in 10 -23 -10 -24 Sek.) entstehen, aber langsam zerfallen (10 -10 Sek.), werden seltsam genannt.

Gravitationswechselwirkungen zwischen Elementarteilchen ergeben aufgrund der Vernachlässigbarkeit der Teilchenmassen extrem kleine Effekte. Diese Art der Wechselwirkung wurde an Makroobjekten mit großer Masse gut untersucht.

Die Vielfalt der Elementarteilchen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften erklärt die Schwierigkeit ihrer Systematisierung. Von allen Elementarteilchen sind eigentlich nur Photonen, Elektronen, Neutrinos, Protonen und ihre Antiteilchen stabil, da sie eine lange Lebensdauer haben. Diese Teilchen sind die Endprodukte der spontanen Umwandlung anderer Elementarteilchen. Die Geburt von Elementarteilchen kann als Ergebnis der ersten drei Arten von Wechselwirkungen auftreten. Für stark wechselwirkende Teilchen sind starke Wechselwirkungsreaktionen die Quelle der Produktion. Leptonen entstehen höchstwahrscheinlich beim Zerfall anderer Elementarteilchen oder werden paarweise (Teilchen + Antiteilchen) unter dem Einfluss von Photonen geboren.

Ströme von Elementarteilchen bilden die ionisierende Strahlung (siehe), die eine Ionisierung neutraler Moleküle der Umgebung verursacht. Die biologische Wirkung von Elementarteilchen ist mit der Bildung von Substanzen mit hoher chemischer Aktivität in bestrahlten Geweben und Körperflüssigkeiten verbunden. Zu diesen Substanzen gehören freie Radikale (siehe Freie Radikale), Peroxide (siehe) und andere. Elementarteilchen können auch direkt auf Biomoleküle und supramolekulare Strukturen einwirken, den Bruch intramolekularer Bindungen, die Depolymerisation makromolekularer Verbindungen usw. verursachen. Die Prozesse der Energiemigration und die Bildung metastabiler Verbindungen resultieren aus der langfristigen Erhaltung des Zustands von Anregung in einigen makromolekularen Substraten. In Zellen wird die Aktivität von Enzymsystemen unterdrückt oder pervertiert, die Struktur von Zellmembranen und Oberflächenzellrezeptoren ändert sich, was zu einer Erhöhung der Membranpermeabilität und einer Änderung von Diffusionsprozessen führt, begleitet von den Phänomenen der Proteindenaturierung, Gewebeentwässerung, und Störung der inneren Umgebung der Zelle. Die Anfälligkeit von Zellen hängt weitgehend von der Intensität ihrer mitotischen Teilung (siehe Mitose) und ihres Stoffwechsels ab: Mit zunehmender Intensität nimmt die Strahlenempfindlichkeit von Geweben zu (siehe Strahlenempfindlichkeit). Diese Eigenschaft von Strömungen von Elementarteilchen - ionisierende Strahlung - beruht auf ihrer Verwendung zur Strahlentherapie (siehe), insbesondere bei der Behandlung von bösartigen Neubildungen. Die Durchschlagskraft geladener Elementarteilchen hängt maßgeblich von der linearen Energieübertragung (siehe) ab, also von der mittleren Energieaufnahme des Mediums am Durchgangspunkt eines geladenen Teilchens, bezogen auf die Einheit seiner Bahn.

Die schädigende Wirkung der Elementarteilchenströmung betrifft vor allem die Stammzellen des blutbildenden Gewebes, das Hodenepithel, den Dünndarm und die Haut (siehe Strahlenkrankheit, Strahlenschäden). Betroffen sind zunächst Systeme, die sich während der Bestrahlung in einem Zustand aktiver Organogenese und Differenzierung befinden (siehe Critical Organ).

Die biologische und therapeutische Wirkung von Elementarteilchen hängt von ihrer Art und Dosis der Strahlung ab (siehe Dosen ionisierender Strahlung). So kommt es beispielsweise bei Bestrahlung des gesamten menschlichen Körpers mit Röntgenstrahlen (siehe Röntgentherapie), Gammastrahlung (siehe Gammatherapie) und Protonenstrahlung (siehe Protonentherapie) bei einer Dosis von etwa 100 rad zu einer vorübergehenden Veränderung in der Hämatopoese wird beobachtet; Die äußere Einwirkung von Neutronenstrahlung (siehe Neutronenstrahlung) führt zur Bildung verschiedener radioaktiver Substanzen im Körper, z. B. Radionuklide von Natrium, Phosphor usw. Wenn Radionuklide, die Quellen von Betateilchen (Elektronen oder Positronen) oder Gammaquanten sind, eintreten des Körpers, dies geschieht, was als innere Bestrahlung des Körpers bezeichnet wird (siehe Aufnahme radioaktiver Substanzen). Besonders gefährlich sind dabei beispielsweise schnell resorbierende Radionuklide mit gleichmäßiger Verteilung im Körper. Tritium (3H) und Polonium-210.

Die Radionuklide, die Quellen von Elementarteilchen sind und an einem Stoffwechsel teilnehmen, werden in der Radioisotopendiagnostik verwendet (siehe).

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R. V. Stavntsky.


Elementarteilchen, im engeren Sinne - Teilchen, die nicht als aus anderen Teilchen bestehend angesehen werden können. In der modernen Physik ist der Begriff „ Elementarteilchen" wird im weiteren Sinne verwendet: so werden die kleinsten Teilchen der Materie bezeichnet, unter der Bedingung, dass sie auch keine Atome sind (das Proton ist eine Ausnahme); manchmal aus diesem Grund Elementarteilchen werden subnukleare Teilchen genannt. Die meisten dieser Partikel (mehr als 350 sind bekannt) sind Verbundsysteme.

Elementarteilchen nehmen an elektromagnetischen, schwachen, starken und gravitativen Wechselwirkungen teil. Aufgrund kleiner Massen Elementarteilchen ihre gravitative Wechselwirkung wird normalerweise nicht berücksichtigt. Alles Elementarteilchen in drei Hauptgruppen eingeteilt. Das erste sind die sogenannten Bosonen - Träger der elektroschwachen Wechselwirkung. Dazu gehört das Photon oder Quant der elektromagnetischen Strahlung. Die Ruhemasse eines Photons ist gleich Null, daher ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen (einschließlich Lichtwellen) die Grenzausbreitungsgeschwindigkeit eines physikalischen Effekts und eine der fundamentalen physikalischen Konstanten; das akzeptiert mit= (299792458 ± 1,2) m/s.

Zweite Gruppe Elementarteilchen- Leptonen, die an elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen teilnehmen. Es gibt 6 bekannte Leptonen: , Elektron-Neutrino, Myon, Myon-Neutrino, schweres τ-Lepton und das entsprechende Neutrino. Das Elektron (Symbol e) gilt als der materielle Träger mit der kleinsten Masse in der Natur m e , gleich 9,1 × 10 –28 g (in Energieeinheiten ≈0,511 MeV) und die kleinste negative elektrische Ladung e\u003d 1,6 × 10 -19 C. Myonen (Symbol μ -) sind Teilchen mit einer Masse von etwa 207 Elektronenmassen (105,7 MeV) und einer elektrischen Ladung gleich der eines Elektrons; das schwere τ-Lepton hat eine Masse von etwa 1,8 GeV. Die drei Arten von Neutrinos, die diesen Teilchen entsprechen, sind elektronisch (Symbol ν e), Myon (Symbol ν μ) und τ-Neutrino (Symbol ν τ) sind leichte (möglicherweise masselose) elektrisch neutrale Teilchen.

Jedes der Leptonen entspricht , das die gleichen Werte für Masse, Spin und andere Eigenschaften hat, sich aber im Vorzeichen der elektrischen Ladung unterscheidet. Es gibt (Symbol e +) - ein Antiteilchen in Bezug auf , positiv geladene (Symbol μ +) und drei Arten von Antineutrinos (Symbole ), denen das entgegengesetzte Vorzeichen einer speziellen Quantenzahl namens Leptonladung zugeordnet ist (siehe unten).

Die dritte Gruppe von Elementarteilchen - Hadronen, sie nehmen an starken, schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen teil. Hadronen sind "schwere" Teilchen mit einer Masse, die viel größer ist als die Masse eines Elektrons. Dies ist die größte Gruppe Elementarteilchen. Hadronen werden unterteilt in Baryonen - Teilchen mit Spin ½ћ, Mesonen - Teilchen mit ganzzahligem Spin (0 oder 1); sowie die sogenannten Resonanzen - kurzlebige angeregte Zustände von Hadronen. Baryonen umfassen ein Proton (Symbol p) - den Kern eines Wasserstoffatoms mit einer Masse von ~ 1836-mal größer als m e und gleich 1,672648 × 10 -24 g (≈938,3 MeV) und eine positive elektrische Ladung gleich der Ladung eines Neutrons (Symbol n) - ein elektrisch neutrales Teilchen, dessen Masse die Masse eines Protons geringfügig übersteigt. Alles ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut, es ist die starke Wechselwirkung, die die Verbindung dieser Teilchen untereinander bestimmt. Bei starker Wechselwirkung haben ein Proton und ein Neutron die gleichen Eigenschaften und werden als zwei Quantenzustände eines Teilchens betrachtet - ein Nukleon mit dem Isotopenspin ½ћ (siehe unten). Zu den Baryonen gehören auch Hyperonen - Elementarteilchen mit einer Masse größer als die des Nukleons: Λ-Hyperon hat eine Masse von 1116 MeV, Σ-Hyperon - 1190 MeV, Θ-Hyperon - 1320 MeV, Ω-Hyperon - 1670 MeV. Mesonen haben Massen zwischen den Massen eines Protons und eines Elektrons (π-Meson, K-Meson). Es gibt neutrale und geladene Mesonen (mit positiver und negativer elektrischer Elementarladung). Alle Mesonen werden nach ihren statistischen Eigenschaften als Bosonen klassifiziert.

Grundlegende Eigenschaften von Elementarteilchen

Jede Elementarteilchen wird durch eine Menge diskreter Werte physikalischer Größen (Quantenzahlen) beschrieben. Allgemeine Merkmale aller Elementarteilchen- Masse, Lebensdauer, Spin, elektrische Ladung.

Je nach Lebensdauer Elementarteilchen werden in stabile, quasi-stabile und instabile (Resonanzen) unterteilt. Stabil (innerhalb der Genauigkeit moderner Messungen) sind: Elektron (Lebensdauer mehr als 5 × 10 21 Jahre), Proton (mehr als 10 31 Jahre), Photon und Neutrino. Quasistabile Teilchen umfassen Teilchen, die aufgrund elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkungen zerfallen, ihre Lebensdauer beträgt mehr als 10 -20 s. Resonanzen zerfallen aufgrund starker Wechselwirkung, ihre charakteristische Lebensdauer beträgt 10 -22 - 10 -24 s.

Interne Merkmale (Quantenzahlen) Elementarteilchen sind Lepton (Symbol L) und baryonisch (Symbol BEIM) Gebühren; diese Zahlen gelten als streng erhaltene Größen für alle Arten grundlegender Wechselwirkungen. Für leptonische und ihre Antiteilchen L haben entgegengesetzte Vorzeichen; für Baryonen BEIM= 1, für die entsprechenden Antiteilchen BEIM=-1.

Hadronen zeichnen sich durch das Vorhandensein spezieller Quantenzahlen aus: "Fremdheit", "Charme", "Schönheit". Gewöhnliche (nicht seltsame) Hadronen - Proton, Neutron, π-Mesonen. Innerhalb verschiedener Gruppen von Hadronen gibt es Familien von Teilchen mit ähnlichen Massen und ähnlichen Eigenschaften in Bezug auf die starke Wechselwirkung, aber mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen; Das einfachste Beispiel ist das Proton und das Neutron. Die Gesamtquantenzahl für solche Elementarteilchen- der sogenannte Isotopenspin, der wie der übliche Spin ganzzahlige und halbzahlige Werte annimmt. Zu den besonderen Eigenschaften von Hadronen gehört die interne Parität, die die Werte ±1 annimmt.

Wichtiges Eigentum Elementarteilchen- ihre Fähigkeit zu gegenseitigen Transformationen infolge elektromagnetischer oder anderer Wechselwirkungen. Eine der Arten gegenseitiger Transformationen ist die sogenannte Geburt eines Paares oder die Bildung sowohl eines Teilchens als auch eines Antiteilchens (im Allgemeinen die Bildung eines Paares Elementarteilchen mit entgegengesetzten Lepton- oder Baryonenladungen). Mögliche Prozesse sind die Entstehung von Elektron-Positron-Paaren e - e + , Myonenpaare μ + μ - neue schwere Teilchen bei Kollisionen von Leptonen, die Bildung von Quarks cc- und bb-Zustände (siehe unten). Eine andere Art von Austausch Elementarteilchen- Vernichtung eines Paares bei Kollisionen von Teilchen unter Bildung einer endlichen Anzahl von Photonen (γ-Quanten). Normalerweise werden 2 Photonen erzeugt, wenn der Gesamtspin der kollidierenden Teilchen null ist, und 3 Photonen werden erzeugt, wenn der Gesamtspin gleich 1 ist (Manifestation des Erhaltungssatzes der Ladungsparität).

Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei geringer Geschwindigkeit kollidierender Teilchen, ist die Bildung eines gebundenen Systems möglich - Positronium e - e + und Myonium μ + e - . Diese instabilen Systeme werden oft als wasserstoffähnlich bezeichnet. Ihre Lebensdauer in Materie hängt stark von den Eigenschaften der Materie ab, was es ermöglicht, mit wasserstoffähnlichen Atomen die Struktur kondensierter Materie und die Kinetik schneller chemischer Reaktionen zu untersuchen (siehe Meson-Chemie, Kernchemie).

Quarkmodell von Hadronen

Eine detaillierte Betrachtung der Quantenzahlen von Hadronen mit dem Ziel, sie zu klassifizieren, führte zu dem Schluss, dass seltsame Hadronen und gewöhnliche Hadronen zusammen Verbände von Teilchen mit ähnlichen Eigenschaften bilden, sogenannte unitäre Multipletts. Die Anzahl der darin enthaltenen Teilchen beträgt 8 (Oktett) und 10 (Dekuplett). Die Teilchen, aus denen das einheitliche Multiplett besteht, haben die gleiche innere Parität, unterscheiden sich jedoch in den Werten der elektrischen Ladung (Teilchen des isotopischen Multipletts) und der Fremdheit. Symmetrieeigenschaften sind mit einheitlichen Gruppen verbunden, ihre Entdeckung war die Grundlage für die Schlussfolgerung über die Existenz spezieller Struktureinheiten, aus denen Hadronen aufgebaut sind - Quarks. Es wird angenommen, dass Hadronen Kombinationen von 3 fundamentalen Teilchen mit Spin ½ sind: n-Quarks, d-Quarks und s-Quarks. Mesonen bestehen also aus einem Quark und einem Antiquark, Baryonen bestehen aus 3 Quarks.

Die Annahme, dass Hadronen aus 3 Quarks bestehen, wurde 1964 aufgestellt (von J. Zweig und unabhängig davon von M. Gell-Man). Anschließend wurden (insbesondere um einen Widerspruch zum Pauli-Prinzip zu vermeiden) zwei weitere Quarks in das Hadronenstrukturmodell aufgenommen – das „charmed“-Quark ( mit) und schön" ( b) sowie die Einführung besonderer Eigenschaften von Quarks - "Geschmack" und "Farbe". Quarks, die als Bestandteile von Hadronen fungieren, wurden im freien Zustand nicht beobachtet. Die ganze Vielfalt der Hadronen ist auf verschiedene Kombinationen zurückzuführen n-, d-, s-, mit- und b-Quarks, die gebundene Zustände bilden. Gewöhnliche Hadronen (Proton, Neutron, π-Mesonen) entsprechen aus aufgebauten gebundenen Zuständen n- und d-Quarks. Die Präsenz im Hadron, zusammen mit n- und d-Quarks von eins s-, mit- oder b-quark bedeutet, dass das entsprechende Hadron „strange“, „enchanted“ oder „beautiful“ ist.

Das Quark-Modell der Struktur von Hadronen wurde durch Experimente bestätigt, die Ende der 1960er und Anfang der 1970er Jahre durchgeführt wurden. 20. Jahrhundert Quarks wurden tatsächlich als neu angesehen Elementarteilchen- wahr Elementarteilchen für die hadronische Form der Materie. Die Unbeobachtbarkeit freier Quarks ist offenbar grundsätzlicher Natur und gibt Anlass zu der Annahme, dass es sich um solche handelt Elementarteilchen, die die Kette der strukturellen Bestandteile der Materie vervollständigen. Es gibt theoretische und experimentelle Argumente dafür, dass die zwischen Quarks wirkenden Kräfte nicht mit der Entfernung schwächer werden, d.h. Um Quarks voneinander zu trennen, ist eine unendlich große Energie erforderlich, oder mit anderen Worten, das Auftreten von Quarks im freien Zustand ist unmöglich. Damit sind sie eine völlig neue Art von Struktureinheiten der Materie. Es ist möglich, dass Quarks als letzter Schritt bei der Fragmentierung von Materie fungieren.

Kurze historische Informationen

Zuerst öffnen Elementarteilchen Es gab ein Elektron - einen Träger einer negativen elektrischen Ladung in Atomen (J.J. Thomson, 1897). 1919 entdeckte E. Rutherford Protonen unter Teilchen, die aus Atomkernen herausgeschlagen wurden. Neutronen wurden 1932 von J. Chadwick entdeckt. 1905 postulierte A. Einstein, dass elektromagnetische Strahlung ein Strom einzelner Quanten (Photonen) ist und erklärte auf dieser Grundlage die Muster des photoelektrischen Effekts. Existenz als etwas Besonderes Elementarteilchen zuerst vorgeschlagen von W. Pauli (1930); elektronisch

Elementarteilchen

Es liegt nahe, die Betrachtung des Aufbaus der Materie von den "kleinsten" Struktureinheiten aus zu beginnen, deren Existenz nun festgestellt wurde. Solche Teilchen werden elementar genannt, da sie unteilbarer sind (ihre Struktur wird nicht erkannt) und als grundlegend, aus denen sich Materie zusammensetzt.

Klassifizierung von Elementarteilchen. Die an der starken Wechselwirkung beteiligten Teilchen bilden die Familie der Hadronen. Dies sind Baryonen (Proton R, Neutron n), Hyperonen (λ, Σ usw.), Mesonen (π-; k-), sowie eine große Gruppe sogenannter resonanter Teilchen (Resonanzen). Baryonen haben halbzahlige Spins, Mesonen haben ganzzahlige Spins. Baryonen unterscheiden sich von Mesonen durch die sogenannte Baryonenladung, in deren Zusammenhang die Umwandlung von Baryonen in Mesonen durch das Gesetz zur Erhaltung der Baryonenladung verboten ist. Dies ist eine wichtige Eigenschaft, die die Stabilität von Kernen und damit der gesamten umgebenden Welt sicherstellt. Wenn Nukleonen, die Baryonen (Proton und Neutron) sind, sich in Mesonen verwandeln könnten, würden Atomkerne schließlich zerfallen. Hadronen sind keine wirklichen Elementarteilchen, das heißt, sie haben eine innere Struktur. Dies erklärt insbesondere die Instabilität der meisten Hadronen.

Heute kann die Existenz von wirklich fundamentalen strukturlosen Teilchen, die Hadronen bilden, als bewiesen angesehen werden. Diese Teilchen werden Quarks genannt (Gell-Mann, Zweig, 1963). Sie sind noch nicht experimentell nachgewiesen worden, vermutlich Strömungen, die nicht getrennt, also in freiem Zustand, existieren. Es ist bekannt, dass die Ladung von Quarks ein Vielfaches von 1/3 ist e, und der Spin ist 1/2. Es soll sechs Arten von Quarks geben, die sich durch ein Merkmal namens "Flavor" (up, down, charm, strange, true, lovely) unterscheiden; Jedes Quark ist auch durch eine bestimmte Quantenzahl gekennzeichnet - "Farbe" (rot, grün, blau). Alle Baryonen bestehen aus drei Quarks (ein Proton zum Beispiel aus den obersten zwei mit Ladungen +2/3 e und eine niedrigere mit einer Ladung - 1/Z e). Entsprechend der „Farbe“ wird das Trio der Quarks „ausgewählt“, so dass das Proton „weiß“ ist. Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark.

Alle anderen Teilchen (außer dem Photon), die nicht an starken Wechselwirkungen teilnehmen, werden Leptonen genannt. Die Familie der Leptonen wird durch sechs strukturlose ("Punkt") Teilchen repräsentiert: Elektron e, Myon μ, Tau-Lepton (taon) τ und diesen Teilchen entsprechende Neutrinos ( v e, v μ , v τ).

Nach dem Prinzip der Quark-Lepton-Symmetrie entspricht jedem Lepton ein bestimmtes Quark (Tab. 5.2).

Tabelle 5.2.

Daher gelten Quarks und Leptonen heute zusammen mit Teilchen-Trägern von Wechselwirkungen als echte Elementarteilchen (Fundamentalteilchen). Aus Leptonen und Quarks der ersten Generation zusammen mit Photonen ist das moderne Universum aufgebaut. Es wird angenommen, dass Teilchen der zweiten und dritten Generation im frühen Universum, in den ersten Momenten des Urknalls, eine wichtige Rolle spielten, während der Unterschied zwischen Quarks und Leptonen nicht bestand.

Hauptmerkmale von Elementarteilchen. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Elementarteilchen ist die Stabilität, also die Fähigkeit, sich für eine gewisse Zeit (Lebensdauer) in einem freien Zustand zu befinden. Unter den experimentell nachgewiesenen Teilchen sind nur wenige stabil. Ein Proton, ein Elektron, ein Photon und, wie man glaubt, Neutrinos aller Art können unbegrenzt in einem freien Zustand existieren. Alle anderen Teilchen, die dazu neigen, in einen Zustand mit minimaler Energie überzugehen, zerfallen mehr oder weniger schnell und erreichen einen stabilen Endzustand. Die kürzeste Lebensdauer (~10 -23 s) gilt für resonante Teilchen. Ein Neutron im freien Zustand existiert für ~10 3 s. In der Familie der Leptonen „lebt“ das Myon ~10-6 s, das Taon ~10-12 s.

Es wird angenommen, dass kurzlebige Elementarteilchen in der Natur unter extremen Bedingungen eine entscheidende Rolle spielen, beispielsweise ähnlich wie in den Anfangsstadien der Entstehung des Universums.

Ruhemassen Stabile Elementarteilchen haben folgende Bedeutung: Proton m p ≈ 1,67 · 10 -27 kg, Elektron m e ≈ 0,91 · 10 -30 kg. Das Photon und alle Arten von Neutrinos haben keine Ruhemasse.

In der Regel werden die Massen von Elementarteilchen in Energieeinheiten ausgedrückt - Elektronenvolt. Dann m p ≈938,3×10 6 eV = 938,3 MeV, m e ≈ 0,51 MeV.

Elementarteilchen haben eine elektrische Ladung +e oder -e oder elektrisch neutral sind.

Elektronenladung e gleich - 1,6 10 -19 C.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Elementarteilchen ist der Spin. Der Wert des Spins bestimmt die Art der Wellenfunktion (symmetrisch oder antisymmetrisch) und die Art der Statistik (dh das Gesetz, das das Verhalten einer Gruppe von Mikropartikeln beschreibt). Teilchen mit null oder ganzzahligem Spin (Photonen, π-Mesonen usw.) gehorchen der Bose-Einstein-Statistik und werden Bosonen genannt. Teilchen mit halbzahligem Spin (Elektronen, Protonen, Neutronen) gehorchen der Fermi-Dirac-Statistik und werden Fermionen genannt. Die fundamentalen Fermionen sind Leptonen und Quarks. Fermionen gehorchen dem Pauli-Prinzip, wonach sich in keinem System identischer Fermionen zwei von ihnen gleichzeitig im gleichen Zustand befinden können. Auf die Verteilung von Elektronen in einem Atom angewendet, besagt das Pauli-Prinzip; dass es in demselben Atom nicht mehr als ein Elektron mit derselben Menge von vier Quantenzahlen geben kann n,l,m und σ .

Das Pauli-Prinzip beruht auf der Ununterscheidbarkeit identischer Quantenteilchen. Beim Vertauschen zweier Fermionen muss die Wellenfunktion ihr Vorzeichen ändern. Wenn jedoch die Zustände zweier Fermionen (d. h. ihre Sätze von Quantenzahlen) gleich sind, dann sollte die ψ-Funktion ihr Vorzeichen nicht ändern. Dieser Widerspruch ist nur dann formal beseitigt, wenn ψ=0 ist, was die Unmöglichkeit (Wahrscheinlichkeit Null) bedeutet, ein Teilchen in einem solchen Zustand zu finden.

Antiteilchen. Zu jedem bekannten Elementarteilchen gibt es ein sogenanntes Antiteilchen. Die Massen, Lebensdauern und Spins von Teilchen und Antiteilchen sind gleich. Andere Eigenschaften, z. B. elektrische Ladung, magnetisches Moment, sind im Absolutwert gleich, haben aber entgegengesetzte Vorzeichen. Solche Paare sind zum Beispiel das Proton R und Antiproton, Elektron - und Antielektron e+ (d.h. Positron e+). Einige Teilchen, wie das Photon, sind mit ihren Antiteilchen identisch.

Antiteilchen werden in Kernreaktionen bei ausreichend hohen Energien geboren, aber ihre Lebensdauer ist in Materie kurz. Wenn ein Teilchen auf ein Antiteilchen trifft, findet Vernichtung statt. Masse und kinetische Energie des „Teilchen-Antiteilchen“-Paares werden in die Energie von Photonen oder anderen Teilchen umgewandelt. Wenn beispielsweise ein Elektron und ein Positron vernichten, werden zwei Photonen freigesetzt:

e - + e+ → 2γ.

Aus Photonen wiederum können Elektron-Positron-Paare werden. In solchen Reaktionen zeigt sich deutlich das für das klassische Weltbild charakteristische Fehlen einer klaren Grenze zwischen Feld und Materie.

Atomkerne

Das nächste in der betrachteten Hierarchie der Naturobjekte ist der Atomkern. Der Kern ist ein verbundenes System aus zwei Arten von Hadronen - Protonen und Neutronen, die in diesem Fall unter dem gemeinsamen Namen "Nukleonen" vereint sind. Das Proton ist der Kern des einfachsten Atoms, des Wasserstoffatoms. Es hat eine positive Ladung, die numerisch gleich der Ladung eines Elektrons ist. Das Neutron ist elektrisch neutral. Neutronenmasse m n \u003d 1,6750 10 -27 kg. Die Anzahl der Protonen im Atomkern nennt man Ordnungszahl ( Z), und die Gesamtzahl der Nukleonen ist die Massenzahl ( SONDERN). Die Kernladung ist positiv und gleich Z · e. Die meisten Atomkerne werden durch Isotopengruppen dargestellt. Aufladen Z in jeder Gruppe von Isotopen ist konstant, aber die Anzahl der Neutronen ist unterschiedlich. Es gibt stabile, langlebige und radioaktive Isotope. Die Ursachen der radioaktiven Instabilität sind mit einem Mangel oder Überschuss an Neutronen im Kern verbunden.

Die Kerngröße wird bedingt durch den Radius charakterisiert R Kerne. Der Radius wächst mit der Anzahl der Nukleonen gemäß der Formel , wobei R 0 = (1,3 ..., 1,7) · 10 -15 m. Die "Packungsdichte" von Nukleonen im Kern ist sehr hoch und beträgt ~10 44 Nukleonen/m 3 oder 10 17 kg/m 3 .

Wie bereits erwähnt, wird die Stabilität des Kerns durch das Vorhandensein einer starken Wechselwirkung oder nuklearer Anziehungskräfte erklärt Anziehungskräfte. Die Energie, die erforderlich ist, um die Nukleonen im Kern zu halten, wird gemäß dem Energieerhaltungssatz durch die Arbeit bestimmt, die aufgewendet werden muss, um den Kern in seine einzelnen Nukleonen zu spalten. Diese Energie wird als Bindungsenergie des Kerns bezeichnet. Die Bindungsenergie manifestiert sich als Abnahme der Masse des Kerns während seiner Bildung im Vergleich zur Gesamtmasse der Nukleonen, aus denen der Kern besteht:

Wert Δ m heißt Massendefekt. Die Bindungsenergie ist definiert als

Üblicherweise wird der Kern durch die spezifische Bindungsenergie, also die Energie pro Nukleon, charakterisiert. Auf Abb. 5.3 zeigt die Abhängigkeit der spezifischen Bindungsenergie von der Massenzahl SONDERN Charakterisierung der Bindungsstärke von Nukleonen in den Kernen verschiedener chemischer Elemente. Wie aus der Grafik hervorgeht, sind die Bindungen der Kerne von Elementen mit Massenzahlen (28 ... 138) am stärksten. Wenn Sie zunehmen SONDERN Die Bindungsenergie nimmt ab. Die Abnahme der Kernstärke erklärt sich aus der Tatsache, dass in leichten Kernen die Bindungen von Nukleonen nicht gesättigt sind, während in schweren Kernen die Coulomb-Abstoßung von Protonen voneinander zu wirken beginnt.

Von Abb. 5.3 zeigt auch, dass die Prozesse der Bildung stabilerer Kerne (d. h. gekennzeichnet durch große Werte von Δ E SW werden von der Freisetzung von Energie begleitet. So sind die Fusionsreaktion leichter Kerne unter Bildung schwererer Kerne (Pfeil 1 in Abb. 5.3) und die Spaltreaktion schwerer Kerne (Pfeil 2 in Abb. 5.3) energetisch vielversprechend.

Dieses Thema wird im zweiten Teil des Kurses ausführlich behandelt.

Kernreaktionen. Radioaktivität. Kernreaktionen sind Prozesse, bei denen die Kerne einiger Elemente aus den Kernen anderer Elemente gewonnen werden. Diese Prozesse können sowohl durch äußere Einflüsse (z. B. "Kollisionen des Kerns mit anderen Teilchen") als auch spontan spontan (radioaktives Wachsen) auftreten.

Kernreaktionen werden wie chemische Reaktionen geschrieben. Beispielsweise entstehen durch die Spaltreaktion eines Urankerns bei einer Kollision mit einem Neutron Cäsium- und Rubidiumkerne und zwei Neutronen:

Die Bestrahlung des Kerns mit Neutronen wird am häufigsten zur Durchführung von Kernreaktionen verwendet. Tatsache ist, dass ein elektrisch neutrales Neutron die Coulomb-Abstoßung der Protonen des Kerns nicht erfährt und leicht in ihn eindringt. Unter Einwirkung hochenergetischer (>100 MeV) Neutronenbestrahlung werden alle Kerne geteilt.

Die bei den Zerfallsreaktionen freigesetzten Neutronen können die Spaltung anderer Kerne verursachen, wodurch eine Kettenreaktion auftritt - ein lawinenartiger Prozess, beispielsweise die Explosion einer Atombombe. Ein Teil der Neutronen kann aus dem spaltbaren Material entfernt werden, dann kann die Spaltreaktion kontrolliert werden. Die Absorption von Neutronen in Graphitstäben wird in Kernreaktoren verwendet.

Der spontane Zerfall von Kernen unter Emission verschiedener Teilchen wird als Radioaktivität bezeichnet. Bei jedem radioaktiven Zerfall übersteigt die Masse des Ausgangskerns die Einheitsmasse der geschnittenen Produkte, d.h. Energie wird freigesetzt. Die natürliche Radioaktivität wurde von A. Bskkerel (1896) und die künstliche von den Joliot-Curie-Ehegatten (1936) entdeckt. Die Hauptarten von Radioaktivität sind Alpha-, Beta- und Gammazerfälle.

Der Alpha-Zerfall besteht in der spontanen Emission eines ci-Teilchens durch den Kern (d.h. Heliumkern). Alpha-Zerfall wird nur in schweren Kernen mit Z ≥ 82 beobachtet.

Während des Beta-Zerfalls emittiert der Kern ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino (oder ein Positron und ein Elektron-Neutrino):

Der Beta-Zerfall ist auf die Umwandlung von Nukleonen zurückzuführen, die durch schwache Wechselwirkung verursacht wird. Beispielsweise tritt bei der ersten der aufgezeichneten Reaktionen die Umwandlung eines Neutrons gemäß dem Schema auf

Der Gamma-Zerfall besteht in der Emission hochenergetischer Photonen (γ-Quanten) durch den Kern. Der Kern als Quantensystem kann sich in Zuständen mit unterschiedlichen Energien befinden. Bei Übergängen von angeregten Energiezuständen zur Erde emittieren nicht angeregte Kerne γ-Quanten. In diesem Fall weder die Massenzahl A noch die Ordnungszahl des Kerns ZÄndere dich nicht.

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