Sana atomi tarkoittaa "jakamaton". Kreikkalaiset filosofit ottivat sen käyttöön merkitsemään pienimpiä hiukkasia, joista heidän käsityksensä mukaan aine koostuu.

1800-luvun fyysikot ja kemistit omaksuivat termin pienimmille tuntemilleen hiukkasille. Vaikka olemme pystyneet "halkaisemaan" atomeja pitkään ja jakamaton on lakannut olemasta jakamaton, tämä termi on kuitenkin säilynyt. Nykyisen käsityksemme mukaan atomi koostuu pienimmistä hiukkasista, joita kutsumme alkuainehiukkasia. On myös muita alkuainehiukkasia, jotka eivät itse asiassa ole atomien ainesosia. Ne valmistetaan yleensä käyttämällä tehokkaita syklotroneja, synkrotroneja ja muita hiukkaskiihdyttimiä, jotka on erityisesti suunniteltu näiden hiukkasten tutkimiseen. Ne syntyvät myös, kun kosmiset säteet kulkevat ilmakehän läpi. Nämä alkuainehiukkaset hajoavat muutaman sekunnin miljoonasosan jälkeen ja usein vielä lyhyemmässä ajassa ilmaantumisensa jälkeen. Hajoamisen seurauksena ne joko muuttuvat muuttuen muiksi alkuainehiukkasiksi tai vapauttavat energiaa säteilyn muodossa.

Alkuainehiukkasten tutkimus keskittyy jatkuvasti kasvavaan lyhytikäisten alkuainehiukkasten määrään. Vaikka tällä ongelmalla on suuri merkitys erityisesti siksi, että se liittyy fysiikan perustavanlaatuisimpiin lakeihin, hiukkasten tutkimusta tehdään tällä hetkellä lähes erillään muista fysiikan aloista. Tästä syystä rajoitamme huomiomme vain ne hiukkaset, jotka ovat yleisimpien materiaalien pysyviä komponentteja, sekä joitain hiukkasia, jotka ovat hyvin lähellä niitä. Ensimmäinen 1800-luvun lopulla löydetyistä alkeishiukkasista oli elektroni, josta tuli sitten erittäin hyödyllinen palvelija. Radioputkissa elektronien virtaus liikkuu tyhjiössä; ja tätä virtausta säätämällä saapuvat radiosignaalit vahvistetaan ja muunnetaan ääneksi tai kohinaksi. Televisiossa elektronisäde toimii kynänä, joka toistaa välittömästi ja tarkasti vastaanottimen näytöllä sen, mitä lähettimen kamera näkee. Molemmissa näissä tapauksissa elektronit liikkuvat tyhjiössä niin, että jos mahdollista, mikään ei häiritse niiden liikettä. Toinen hyödyllinen ominaisuus on niiden kyky, joka kulkee kaasun läpi, saada se hehkumaan. Näin ollen antamalla elektronien kulkea kaasulla täytetyn lasiputken läpi tietyssä paineessa, käytämme tätä ilmiötä tuottamaan neonvaloa, jota käytetään öisin valaisemaan suuria kaupunkeja. Ja tässä on toinen tapaaminen elektronien kanssa: salama välähti, ja lukemattomia elektroneja, jotka murtautuvat ilman paksuuden läpi, luovat jylisevän ukkosen äänen.

Maanpäällisissä olosuhteissa on kuitenkin suhteellisen pieni määrä elektroneja, jotka voivat liikkua vapaasti, kuten näimme aiemmissa esimerkeissä. Suurin osa niistä on sidottu turvallisesti atomeihin. Koska atomin ydin on positiivisesti varautunut, se vetää puoleensa negatiivisesti varautuneita elektroneja ja pakottaa ne pysymään kiertoradoilla, jotka ovat suhteellisen lähellä ydintä. Atomi koostuu yleensä ytimestä ja joukosta elektroneja. Jos elektroni poistuu atomista, se yleensä korvataan välittömästi toisella elektronilla, jota atomin ydin vetää puoleensa suurella voimalla välittömästä ympäristöstään.

Miltä tämä upea elektroni näyttää? Kukaan ei ole nähnyt häntä eikä tule koskaan näkemään häntä; ja silti tiedämme sen ominaisuudet niin hyvin, että voimme ennustaa hyvin yksityiskohtaisesti, kuinka se käyttäytyy mitä erilaisimmissa tilanteissa. Tiedämme sen massan (sen "painon") ja sen sähkövarauksen. Tiedämme, että suurimman osan ajasta hän käyttäytyy ikään kuin olisi edessään hyvin pieni hiukkanen, muissa tapauksissa se paljastaa ominaisuudet aallot. Englantilainen fyysikko Dirac ehdotti äärimmäisen abstraktia, mutta samalla erittäin tarkkaa elektroniteoriaa lopullisessa muodossaan useita vuosikymmeniä sitten. Tämä teoria antaa meille mahdollisuuden määrittää, missä olosuhteissa elektroni on enemmän hiukkasen kaltainen ja missä olosuhteissa sen aaltomuoto vallitsee. Tämä kaksoisluonne - hiukkanen ja aalto - vaikeuttaa selkeän kuvan antamista elektronista; siksi teorian, joka ottaa huomioon nämä molemmat käsitteet ja joka kuitenkin antaa täydellisen kuvauksen elektronista, on oltava hyvin abstrakti. Mutta olisi kohtuutonta rajoittaa sellaisen merkittävän ilmiön kuin elektronin kuvaus sellaisiin maallisiin kuviin, kuten herneet ja aallot.

Yksi Diracin elektroniteorian lähtökohdista oli, että täytyy olla alkuainehiukkanen, jolla on samat ominaisuudet kuin elektronilla, paitsi että se on positiivisesti varautunut eikä negatiivisesti varautunut. Todellakin, tällainen elektronikaksos löydettiin ja nimettiin positroni. Se on osa kosmisia säteitä, ja sitä esiintyy myös tiettyjen radioaktiivisten aineiden hajoamisen seurauksena. Maanpäällisissä olosuhteissa positronin elinikä on lyhyt. Heti kun se on elektronin läheisyydessä, ja tämä tapahtuu kaikissa aineissa, elektroni ja positroni "tuhoavat" toisensa; Positronin positiivinen sähkövaraus neutraloi elektronin negatiivisen varauksen. Koska suhteellisuusteorian mukaan massa on energian muoto, ja koska energia on "tuhoutumatonta", elektronin ja positronien yhdistettyjen massojen edustama energia on jotenkin varastoitava. Tämän tehtävän suorittaa fotoni (valon kvantti) tai yleensä kaksi fotonia, jotka säteilevät tämän kohtalokkaan törmäyksen seurauksena; niiden energia on yhtä suuri kuin elektronin ja positronien kokonaisenergia.

Tiedämme myös, että myös käänteinen prosessi on tapahtumassa, fotoni voi tietyissä olosuhteissa, esimerkiksi lentäessään lähellä atomin ydintä, luoda elektronin ja positronin "ei tyhjästä". Tällaista luomista varten sen energian on oltava vähintään yhtä suuri kuin elektronin ja positronien kokonaismassaa vastaava energia.

Siksi alkuainehiukkaset eivät ole ikuisia tai pysyviä. Sekä elektronit että positronit voivat tulla ja mennä; kuitenkin energia ja siitä aiheutuvat sähkövaraukset säilyvät.

Elektronia lukuun ottamatta meille paljon aikaisemmin kuin mikään muu hiukkanen tuntema alkuainehiukkanen ei ole positroni, joka on suhteellisen harvinainen, vaan protoni on vetyatomin ydin. Kuten positroni, se on positiivisesti varautunut, mutta sen massa on noin kaksituhatta kertaa suurempi kuin positroni tai elektroni. Kuten nämä hiukkaset, protonilla on joskus aaltoominaisuuksia, mutta vain poikkeuksellisissa erityisolosuhteissa. Se, että sen aaltoluonne on vähemmän korostunut, on itse asiassa suora seuraus sen paljon suuremmasta massasta. Kaikille aineille ominaisesta aaltoluonteesta ei tule meille suurta merkitystä ennen kuin alamme työskennellä poikkeuksellisen kevyiden hiukkasten, kuten elektronien, kanssa.

Protoni on hyvin yleinen hiukkanen, jonka vetyatomi koostuu protonista, joka on sen ydin, ja elektronista, joka kiertää sitä. Protoni on myös osa kaikkia muita atomiytimiä.

Teoreettiset fyysikot ennustivat, että protonilla, kuten elektronilla, on antihiukkanen. Avaaminen negatiivinen protoni tai antiprotoni, jolla on samat ominaisuudet kuin protonilla, mutta joka on negatiivisesti varautunut, vahvisti tämän ennusteen. Antiprotonin törmäys protonin kanssa "tuhoaa" ne molemmat samalla tavalla kuin elektronin ja positronin törmäyksessä.

Toinen alkuainehiukkanen neutroni, sen massa on melkein sama kuin protonilla, mutta se on sähköisesti neutraali (ei sähkövarausta ollenkaan). Sen löytö vuosisadamme 30-luvulla - suunnilleen samanaikaisesti positronin löytämisen kanssa - oli erittäin tärkeä ydinfysiikassa. Neutroni on osa kaikkia atomiytimiä (lukuun ottamatta tietysti tavallista vetyatomin ydintä, joka on yksinkertaisesti vapaa protoni); Kun atomiydin hajoaa, se vapauttaa yhden (tai useamman) neutronin. Atomipommin räjähdys johtuu uraanin tai plutoniumin ytimistä vapautuvista neutroneista.

Koska protonit ja neutronit yhdessä muodostavat atomiytimiä, ja molempia kutsutaan nukleoneiksi, vapaa neutroni muuttuu jonkin ajan kuluttua protoniksi ja elektroniksi.

Tunnemme toisen hiukkasen nimeltä antineutroni, joka, kuten neutroni, on sähköisesti neutraali. Sillä on monia neutronin ominaisuuksia, mutta yksi perustavanlaatuisista eroista on, että antineutroni hajoaa antiprotoniksi ja elektroniksi. Törmäys, neutroni ja antineutroni tuhoavat toisensa,

Fotoni, tai valokvantti, erittäin mielenkiintoinen alkuainehiukkanen. Haluamme lukea kirjaa, sytytämme hehkulampun. Mukana oleva hehkulamppu tuottaa siis valtavan määrän fotoneja, jotka ryntäävät kirjaan, samoin kuin kaikkiin muihin huoneen kulmiin, valon nopeudella. Jotkut heistä iskevät seiniin kuolevat välittömästi, toiset yhä uudelleen ja uudelleen iskevät ja pomppivat muiden esineiden seinistä, mutta alle miljoonasosan kuluttua siitä hetkestä, kun ne ilmestyvät, he kaikki kuolevat muutamaa lukuun ottamatta. jotka onnistuvat pakenemaan ikkunan läpi ja liukumaan avaruuteen. Fotonien tuottamiseen tarvittavan energian tuottavat elektronit, jotka virtaavat palavan hehkulampun läpi; Kuolemassa fotonit antavat tämän energian kirjalle tai muulle esineelle, lämmittäen sitä, tai silmään, mikä stimuloi näköhermoja.

Fotonin energia ja siten sen massa ei pysy muuttumattomana: olemassa on erittäin kevyitä fotoneja ja erittäin raskaita. Tavallista valoa tuottavat fotonit ovat erittäin kevyitä, niiden massa on vain muutama miljoonasosa elektronin massasta. Muiden fotonien massa on suunnilleen sama kuin elektronin massa ja jopa paljon enemmän. Esimerkkejä raskaista fotoneista ovat röntgensäteet ja gammasäteet.

Tässä on yleinen sääntö: mitä kevyempi alkuainehiukkanen, sitä ilmeisempi sen aaltoluonne. Raskaimmat alkuainehiukkaset - protonit - paljastavat suhteellisen heikot aaltoominaisuudet; ne ovat jonkin verran vahvempia elektroneille; voimakkaimmat ovat fotonit. Itse asiassa valon aaltoluonne löydettiin paljon aikaisemmin kuin sen korpuskulaariset ominaisuudet. Olemme tienneet, että valo ei ole muuta kuin sähkömagneettisten aaltojen liikettä siitä lähtien, kun Maxwell osoitti sen viime vuosisadan toisella puoliskolla, mutta Planck ja Einstein huomasivat 1900-luvun aamunkoitteessa, että valolla on myös korpuskulaarisia ominaisuuksia, se säteili toisinaan erillisten "kvanttien" muodossa tai toisin sanoen fotonivirran muodossa. Ei voida kiistää, että näitä kahta näennäisesti erilaista käsitystä valon luonteesta on vaikea yhdistää ja yhdistää mielessämme; mutta voimme sanoa, että elektronin "kaksoisluonteen" tapaan käsityksemme sellaisesta vaikeasti havaittavasta ilmiöstä kuin valo on oltava hyvin abstraktia. Ja vain kun haluamme ilmaista ajatuksemme karkein termein, meidän on joskus verrattava valoa hiukkasvirtaan, fotoniin tai luonteeltaan sähkömagneettiseen aaltoliikkeeseen.

Ilmiön korpuskulaarisuuden ja sen "aaltoominaisuuksien" välillä on suhde. Mitä raskaampi hiukkanen, sitä lyhyempi sen vastaava aallonpituus; mitä pidempi aallonpituus, sitä kevyempi vastaava hiukkanen. Erittäin raskaista fotoneista koostuvilla röntgensäteillä on vastaavasti hyvin lyhyet aallonpituudet. Punainen valo, jonka aallonpituus on pidempi kuin sininen valo, koostuu vaaleammista fotoneista kuin sinisen valon fotoneista. Pisimmät olemassa olevat sähkömagneettiset aallot - radioaallot - koostuvat pienistä fotoneista. Näillä aalloilla ei ole pienintäkään hiukkasten ominaisuuksia, vaan niiden aaltoluonne on täysin hallitseva ominaisuus.

Ja lopuksi pienin kaikista pienistä alkeishiukkasista on neutrino. Siinä ei ole sähkövarausta, ja jos sillä on massaa, se on lähellä nollaa. Pienellä liioituksella voimme sanoa, että neutriinolla ei yksinkertaisesti ole ominaisuuksia.

Tietomme alkuainehiukkasista on fysiikan nykyaikainen raja. Atomi löydettiin 1800-luvulla, ja nykyajan tiedemiehet löysivät yhä enemmän erilaisia ​​atomeja; samoin nykyään löydämme yhä enemmän alkuainehiukkasia. Ja vaikka on todistettu, että atomit koostuvat alkuainehiukkasista, emme voi odottaa analogisesti, että alkuainehiukkaset koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista. Ongelma, jota kohtaamme nykyään, on hyvin erilainen, eikä ole pienintäkään merkkiä siitä, että pystyisimme pilkkomaan alkuainehiukkasia. Pikemminkin pitäisi toivoa, että osoitetaan, että kaikki alkuainehiukkaset ovat ilmentymiä yhdestä vielä perustavammasta ilmiöstä. Ja jos tämä olisi mahdollista todeta, pystyisimme ymmärtämään kaikki alkuainehiukkasten ominaisuudet; voisi laskea niiden massan ja miten ne ovat vuorovaikutuksessa. Tämän ongelman, joka on yksi tärkeimmistä fysiikan ongelmista, ratkaisua on yritetty lähestyä.

Alkuainehiukkaset ovat hiukkasia, jotka eivät ole vielä löytäneet sisäistä rakennetta. Vielä viime vuosisadalla atomeja pidettiin alkuainehiukkasina. Niiden sisäinen rakenne - ytimet ja elektronit - löydettiin 1900-luvun alussa. E. Rutherfordin kokeissa. Atomien koko on noin 10-8 cm, ytimet kymmeniä tuhansia kertoja pienempiä ja elektronien koko on hyvin pieni. Se on alle 10-16 cm, kuten nykyaikaisista teorioista ja kokeista seuraa.

Siten elektroni on nyt alkuainehiukkanen. Mitä tulee ytimiin, niiden sisäinen rakenne paljastettiin pian niiden löytämisen jälkeen. Ne koostuvat nukleoneista - protoneista ja neutroneista. Ytimet ovat melko tiheitä: nukleonien keskimääräinen etäisyys on vain muutaman kerran niiden omaan kokoon verrattuna. Sen selvittäminen, mistä nukleonit koostuvat, kesti noin puoli vuosisataa, mutta samaan aikaan ilmestyi ja ratkesi muita luonnon mysteereitä.

Nukleonit koostuvat kolmesta kvarkista, jotka ovat alkeellisia samalla tarkkuudella kuin elektroni, eli niiden säde on alle 10 -16 cm. Nukleonien säde - kvarkkien miehittämän alueen koko - on noin 10 -13 cm. hiukkaset - baryonit, jotka koostuvat kolmesta erilaisesta (tai identtisestä) kvarkista. Kvarkit voivat muodostaa kolmoiskappaleita eri tavoin, ja tämä määrää baryonin ominaisuuksien erot, esimerkiksi sillä voi olla erilainen spin.

Lisäksi kvarkit voivat yhdistyä pareiksi - mesoneiksi, jotka koostuvat kvarkista ja antikvarkista. Mesonien spin ottaa kokonaislukuarvot, kun taas baryoneilla se ottaa puolikokonaisluvun arvot. Baryoneja ja mesoneja kutsutaan yhdessä hadroneiksi.

Kvarkkeja ei ole löydetty vapaassa muodossa, ja tällä hetkellä hyväksyttyjen käsitteiden mukaan ne voivat olla olemassa vain hadroneina. Ennen kvarkkien löytämistä hadroneja pidettiin jonkin aikaa alkuainehiukkasina (ja tämä nimi on edelleen melko yleinen kirjallisuudessa).

Ensimmäinen kokeellinen osoitus hadronien komposiittirakenteesta olivat kokeet protonien elektronien sironnasta Stanfordin (USA) lineaarikiihdytinssä, mikä voidaan selittää vain olettaen, että protonin sisällä on joitain pistekohteita.

Pian kävi selväksi, että nämä olivat kvarkeja, joiden olemassaoloon teoreetikot olettivat jo aikaisemmin.

Tässä on taulukko nykyaikaisista alkuainehiukkasista. Kuuden kvarkkityypin lisäksi (vain viisi on toistaiseksi esiintynyt kokeissa, mutta teoreetikot ehdottavat, että on olemassa myös kuudes) tässä taulukossa luetellaan leptonit - hiukkaset, joihin elektroni myös kuuluu. Myös myon ja (melko äskettäin) t-leptoni on löydetty tästä perheestä. Jokaisella niistä on oma neutrinonsa, joten leptonit jakautuvat luonnollisesti kolmeen pariin e, n e; m, nm;t, nt.

Jokainen näistä pareista yhdistyy vastaavan kvarkkiparin kanssa nelinkertaiseksi, jota kutsutaan sukupolveksi. Hiukkasten ominaisuudet toistuvat sukupolvelta toiselle, kuten taulukosta voidaan nähdä. Vain massat eroavat toisistaan. Toinen sukupolvi on raskaampi kuin ensimmäinen ja kolmas sukupolvi on raskaampi kuin toinen.

Luonnossa on pääasiassa ensimmäisen sukupolven hiukkasia, ja loput syntyvät keinotekoisesti varautuneilla hiukkaskiihdyttimillä tai ilmakehän kosmisten säteiden vuorovaikutuksessa.

Spin 1/2 -kvarkkien ja leptonien, joita kutsutaan yhteisesti aineen hiukkasiksi, lisäksi taulukossa on lueteltu hiukkaset, joiden spin on 1. Nämä ovat aineen hiukkasten luomien kenttien kvantit. Näistä tunnetuin hiukkanen on fotoni, sähkömagneettisen kentän kvantti.

Niin sanotut välibosonit W+ ja W- , joilla on erittäin suuret massat, löydettiin hiljattain tiskillä tehdyissä kokeissa R- säteet useiden satojen GeV energioilla. Nämä ovat heikon vuorovaikutuksen kantajia kvarkkien ja leptonien välillä. Ja lopuksi, gluonit ovat voimakkaan vuorovaikutuksen kantajia kvarkkien välillä. Kuten itse kvarkit, gluoneja ei ole löydetty vapaassa muodossa, vaan niitä esiintyy hadronien luomis- ja tuhoutumisreaktioiden välivaiheissa. Viime aikoina on havaittu gluonien synnyttämiä hadronisuihkuja. Koska kaikki kvarkkien ja gluonien - kvanttikromodynamiikan - teorian ennusteet ovat samaa mieltä kokemuksen kanssa, gluonien olemassaolosta ei ole lähes mitään epäilystä.

Hiukkanen, jonka spin 2 on gravitoni. Sen olemassaolo johtuu Einsteinin painovoimateoriasta, kvanttimekaniikan periaatteista ja suhteellisuusteoriasta. Gravitonia on äärimmäisen vaikea havaita kokeellisesti, koska se on erittäin heikosti vuorovaikutuksessa aineen kanssa.

Lopuksi kysymysmerkillä varustetussa taulukossa näkyy hiukkasia, joiden spin on 0 (H-mesonit) ja 3/2 (gravitinot); niitä ei ole löydetty kokeellisesti, mutta niiden olemassaolo oletetaan monissa nykyaikaisissa teoreettisissa malleissa.

Alkuainehiukkaset

pyöritä	0?	1/2				1				3/2	2?
otsikko	Higgsin hiukkasia	Aineen hiukkaset				Kenttäkvantit
		kvarkit		leptonit		fotoni	vektoribosonit		gluon	gravitino	gravitoni
symboli	H	u	d	ei	e	g	Z	W	g
(paino)	(?)	(?)	(0,5)	(0)	(~95 GeV)	(~80 GeV)	(?)	(?)
symboli	kanssa	s	nm	m
(paino)	(0?)	(106)
symboli	t	b	n t	t
(paino)	(0?)	(1784)
baryonipanos	0	1/3	1/3	0	0	0	0	0	0	0	0
Sähkövaraus	0,±1	2/3	1/3	0	-1	0	0	±1	0	0	0
Väri	-	3	3	-	-	-	-	-	8	-	-

Hadronit - voimakkaaseen vuorovaikutukseen osallistuvien hiukkasten yleinen nimi . Nimi tulee kreikan sanasta, joka tarkoittaa "vahva, suuri". Kaikki hadronit on jaettu kahteen suureen ryhmään - mesoneihin ja baryoneihin.

baryoneja(kreikan sanasta, joka tarkoittaa "raskasta") ovat hadroneja, joissa on puolikokonaisluku spin . Tunnetuimmat baryonit ovat protonit ja neutronit . Baryonit sisältävät myös joukon hiukkasia, joilla on kvanttiluku, jota kerran kutsutaan kummajainen. Outouden yksikön omistavat lambdabaryoni (L°) ja sigmabaryonien perhe (S - , S+ ja S°). Indeksit +, -, 0 osoittavat sähkövarauksen tai hiukkasen neutraalisuuden merkkiä. Baryoneilla xy (X - ja X°) on kaksi outouden yksikköä. Baryon W - on outo, joka on yhtä suuri kuin kolme. Listattujen baryonien massat ovat noin puolitoista kertaa protonin massat ja niiden tyypillinen elinikä on noin 10-10 s. Muista, että protoni on käytännössä vakaa, kun taas neutroni elää yli 15 minuuttia. Vaikuttaa siltä, ​​että raskaammat baryonit ovat hyvin lyhytikäisiä, mutta mikrokosmoksen mittakaavassa näin ei ole. Tällainen hiukkanen, jopa liikkuessaan suhteellisen hitaasti, nopeudella, joka vastaa esimerkiksi 10 % valon nopeudesta, onnistuu kulkemaan useiden millimetrien matkan ja jättämään jälkensä alkuainehiukkasten ilmaisimeen. Yksi baryonien ominaisuuksista, joka erottaa ne muun tyyppisistä hiukkasista, voidaan pitää konservoituneen baryonivarauksen läsnäoloa. Tämä arvo otettiin käyttöön kuvaamaan kokeellista vakavuuden tosiasiaa kaikissa tunnetuissa prosesseissa baryonien ja antibaryonien lukumäärän välisestä erosta.

Protoni- stabiili hiukkanen hadronien luokasta, vetyatomin ydin. On vaikea sanoa, mitä tapahtumaa pitäisi pitää protonin löytämisenä: vetyionina se onhan se tiedetty jo pitkään. E. Rutherfordin (1911) atomin planeettamallin luominen ja isotooppien löytäminen (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) ja alfan syrjäyttämien vetyytimien havainnointi typpiytimistä peräisin olevilla hiukkasilla oli rooli protonin löytämisessä (E. Rutherford, 1919). Vuonna 1925 P. Blackett sai ensimmäiset valokuvat protonijäljistä pilvikammiossa (katso Ydinsäteilyn ilmaisimet), mikä vahvisti elementtien keinotekoisen muuntamisen löydön. Näissä kokeissa a-hiukkasen vangittiin typpiydin, joka lähetti protonin ja muuttui happi-isotoopiksi.

Yhdessä neutronien kanssa protonit muodostavat kaikkien kemiallisten alkuaineiden atomiytimet, ja ytimessä olevien protonien lukumäärä määrittää tietyn alkuaineen atomiluvun. Protonilla on positiivinen sähkövaraus, joka on yhtä suuri kuin alkuainevaraus, eli elektronin varauksen itseisarvo. Tämä on varmistettu kokeellisesti 10-21 tarkkuudella. protonimassa m p \u003d (938,2796 ± 0,0027) MeV tai ~ 1,6-10 -24 g, eli protoni on 1836 kertaa raskaampi kuin elektroni! Nykyajan näkökulmasta protoni ei ole todellinen alkuainehiukkanen: se koostuu kahdesta u-kvarkit sähkövarauksilla +2/3 (alkuainevarauksen yksiköissä) ja yksi d-kvarkki sähkövarauksella -1/3. Kvarkit liittyvät toisiinsa vaihtamalla muita hypoteettisia hiukkasia - gluonien, voimakkaita vuorovaikutuksia kuljettavan kentän kvantteja. Kokeelliset tiedot, joissa tarkasteltiin protonien aiheuttamia elektronien sirontaprosesseja, todellakin todistavat pistesirontakeskusten olemassaolosta protonien sisällä. Nämä kokeet ovat tietyssä mielessä hyvin samankaltaisia ​​kuin Rutherfordin kokeet, jotka johtivat atomiytimen löytämiseen. Komposiittihiukkasena protonilla on äärellinen koko ~ 10 -13 cm, vaikka sitä ei tietenkään voida esittää kiinteänä pallona. Pikemminkin protoni muistuttaa pilveä, jolla on sumea raja, joka koostuu esiin nousevista ja tuhoutuvista virtuaalipartikkeleista.

Protoni, kuten kaikki hadronit, osallistuu jokaiseen perusvuorovaikutukseen. Niin. vahvat vuorovaikutukset sitovat protoneja ja neutroneja ytimissä, sähkömagneettiset vuorovaikutukset - protoneja ja elektroneja atomeissa. Esimerkkejä heikoista vuorovaikutuksista ovat neutronin beeta-hajoaminen tai protonin sisäinen muuttuminen neutroniksi positronin ja neutrinon emissiolla (vapaalle protonille tällainen prosessi on mahdoton säilyvyys- ja muuntumislain vuoksi energiaa, koska neutronilla on hieman suurempi massa). Protonispin on 1/2. Hadroneita, joilla on puolikokonaisluku, kutsutaan baryoneiksi (kreikan sanasta "raskas"). Baryoneja ovat protoni, neutroni, erilaiset hyperonit (L, S, X, W) ja joukko uusia kvanttilukuja omaavia hiukkasia, joista suurinta osaa ei ole vielä löydetty. Baryonien karakterisoimiseksi on otettu käyttöön erityinen luku - baryonin varaus, joka on 1 baryoneille, - 1 - antibaryoneille ja O - kaikille muille hiukkasille. Baryonivaraus ei ole baryonikentän lähde, vaan se otettiin käyttöön vain kuvaamaan hiukkasten kanssa tapahtuvissa reaktioissa havaittuja säännönmukaisuuksia. Nämä säännönmukaisuudet ilmaistaan ​​baryonivarauksen säilymislain muodossa: baryonien ja antibaryonien lukumäärän ero järjestelmässä säilyy kaikissa reaktioissa. Baryonivarauksen säilyminen tekee protonin hajoamisen mahdottomaksi, koska se on baryoneista kevyin. Tämä laki on luonteeltaan empiirinen, ja se on tietysti testattava kokeellisesti. Baryonivarauksen säilymislain tarkkuutta luonnehtii protonin stabiilius, jonka kokeellinen arvio eliniästä antaa arvoksi vähintään 1032 vuotta.

ALKISET HIUKSET- primaariset, edelleen hajoamattomat hiukkaset, joista kaiken aineen uskotaan koostuvan. Modernissa fysiikassa termiä "alkuainehiukkaset" käytetään yleensä viittaamaan suureen ryhmään aineen pienimpiä hiukkasia, jotka eivät ole atomeja (katso Atomi) tai atomiytimiä (katso Atomiydin); poikkeus on vetyatomin ydin - protoni.

1900-luvun 80-luvulle mennessä tiede tunsi yli 500 alkuainehiukkasta, joista suurin osa on epävakaita. Alkuainehiukkasiin kuuluvat protoni (p), neutroni (n), elektroni (e), fotoni (γ), pi-mesonit (π), myonit (μ), raskaat leptonit (τ + , τ -), kolmen tyyppiset neutriinot - elektroniset (V e), myonit (V μ) ja liittyvät ns. raskaaseen deptoniin (V τ), sekä "outoja" hiukkasia (K-mesonit ja hyperonit), erilaisia ​​resonansseja, mesoneja piilotetulla viehätysvoimalla " hiukkaset, upsilon-hiukkaset (Υ), "kauniit" hiukkaset, välivektoribosonit jne. Syntyi itsenäinen fysiikan haara - alkeishiukkasfysiikka.

Alkuainehiukkasfysiikan historia alkoi vuonna 1897, kun J. J. Thomson löysi elektronin (katso Elektroninen säteily); vuonna 1911 R. Millikan mittasi sen sähkövarauksen suuruuden. Planck (M. Planck) esitteli käsitteen "fotoni" - valon kvantti - vuonna 1900. Suorat kokeelliset todisteet fotonin olemassaolosta saivat Millikan (1912-1915) ja Compton (A. N. Compton, 1922). Atomiydintä tutkiessaan E. Rutherford löysi protonin (katso Protonisäteily) ja vuonna 1932 Chadwick (J. Chadwick) - neutronin (katso Neutronin säteily). Vuonna 1953 neutriinon olemassaolo, jonka W. Pauli oli ennustanut jo vuonna 1930, todistettiin kokeellisesti.

Alkuainehiukkaset jaetaan kolmeen ryhmään. Ensimmäistä edustaa yksi alkuainehiukkanen - fotoni, γ-kvantti tai sähkömagneettisen säteilyn kvantti. Toinen ryhmä ovat leptonit (kreikaksi leptos pieni, kevyt), jotka osallistuvat sähkömagneettisten lisäksi myös heikkoihin vuorovaikutuksiin. Tunnetaan kuusi leptonia: elektroni ja elektronineutrino, myoni ja myonineutrino, raskas τ-leptoni ja vastaava neutrino. Kolmas - alkuainehiukkasten pääryhmä ovat hadronit (kreikaksi hadros suuret, vahvat), jotka osallistuvat kaikentyyppisiin vuorovaikutuksiin, mukaan lukien vahvat vuorovaikutukset (katso alla). Hadronit sisältävät kahden tyyppisiä hiukkasia: baryonit (kreikaksi barys raskaat) - hiukkaset, joiden spin on puolikokonaisluku ja joiden massa on vähintään protonin massa, ja mesonit (kreikan mesos medium) - hiukkaset, joilla on nolla tai kokonaisluku spin (katso Elektroni paramagneettinen resonanssi). Baryoneja ovat protonit ja neutronit, hyperonit, osa resonansseista ja "lumotut" hiukkaset ja joitain muita alkuainehiukkasia. Ainoa vakaa baryoni on protoni, loput baryonit ovat epävakaita (vapaassa tilassa oleva neutroni on epästabiili hiukkanen, mutta sitoutuneessa tilassa stabiilien atomiytimien sisällä se on stabiili. Mesonit saivat nimensä, koska ensimmäisen atomien massat ovat löydetyillä mesoneilla - pi-mesonilla ja K-mesonilla - oli arvot protonin ja elektronin massojen välissä. Myöhemmin löydettiin mesoneja, joiden massa ylittää protonin massan. Hadroneille on ominaista myös outous (S) - nolla, positiivinen tai negatiivinen kvanttiluku. Hadroneja, joilla on nolla outoa, kutsutaan tavallisiksi ja S ≠ 0 - oudoksi G. Zweig ja M. Gell-Mann ehdottivat itsenäisesti hadronien kvarkkirakennetta vuonna 1964. Tulokset useat kokeet osoittavat, että kvarkit ovat todellisia materiaalimuodostelmia hadronien sisällä. Niillä on useita epätavallisia ominaisuuksia, esimerkiksi osa sähkövaraus jne. Vapaassa tilassa kvarkkeja ei havaita onko. Uskotaan, että kaikki hadronit muodostuvat kvarkkien erilaisista yhdistelmistä.

Alkuainehiukkasia tutkittiin aluksi radioaktiivisen hajoamisen (katso Radioaktiivisuus) ja kosmisen säteilyn (katso) tutkimuksessa. Kuitenkin 1900-luvun 50-luvulta lähtien alkuainehiukkasten tutkimusta on tehty varautuneilla hiukkaskiihdyttimillä (katso), joissa kiihdytetyt hiukkaset pommittavat kohdetta tai törmäävät kohti lentäviä hiukkasia. Tässä tapauksessa hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, minkä seurauksena niiden keskinäinen muutos tapahtuu. Näin suurin osa alkuainehiukkasista löydettiin.

Jokainen alkuainehiukkanen ja sen luontaisten vuorovaikutusten erityispiirteet kuvataan tiettyjen fysikaalisten määrien erillisillä arvoilla, jotka ilmaistaan ​​kokonaislukuina tai murtolukuina (kvanttiluvut). Kaikkien alkuainehiukkasten yhteiset ominaisuudet ovat massa (m), elinikä (t), spin (J) - alkuainehiukkasten oikea liikemäärä, jolla on kvanttiluonteinen ja joka ei liity hiukkasen liikkeeseen kokonaisuutena. , sähkövaraus (Ω) ja magneettinen momentti (µ). Tutkittujen alkuainehiukkasten sähkövaraukset absoluuttisina arvoina ovat elektronivarauksen kokonaislukukertoja (e≈1,6*10 -10 k). Tunnetuilla alkuainehiukkasilla on sähkövaraukset 0, ±1 ja ±2.

Kaikilla alkuainehiukkasilla on vastaavat antihiukkaset, joiden massa ja spin ovat yhtä suuret kuin hiukkasen massa ja spin ja sähkövaraus, magneettimomentti ja muut ominaisuudet ovat absoluuttisesti samat ja etumerkillisesti vastakkaiset. Esimerkiksi elektronin antihiukkanen on positroni - elektroni, jolla on positiivinen sähkövaraus. Alkuainehiukkasta, joka on identtinen sen antihiukkasen kanssa, kutsutaan todella neutraaliksi, esimerkiksi neutroni ja antineutroni, neutriino ja antineutrino jne. Kun antihiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, ne tuhoutuvat (katso).

Kun alkuainehiukkanen tulee materiaaliseen ympäristöön, se on vuorovaikutuksessa sen kanssa. On olemassa voimakkaita, sähkömagneettisia, heikkoja ja gravitaatiovuorovaikutuksia. Alle 10-15 m (1 fermi) etäisyydellä olevien alkuainehiukkasten välillä tapahtuu voimakasta vuorovaikutusta (voimakkaampaa kuin sähkömagneettista). Yli 1,5 fermin etäisyyksillä hiukkasten välinen vuorovaikutusvoima on lähellä nollaa. Juuri alkuainehiukkasten väliset vahvat vuorovaikutukset tarjoavat atomiytimille poikkeuksellisen lujuuden, mikä on aineen stabiilisuuden perustana maanpäällisissä olosuhteissa. Vahvan vuorovaikutuksen ominaisuus on sen riippumattomuus sähkövarauksesta. Hadronit pystyvät vahvaan vuorovaikutukseen. Vahvat vuorovaikutukset aiheuttavat lyhytikäisten hiukkasten hajoamisen (elinikä luokkaa 10 -23 - 10 -24 sekuntia), joita kutsutaan resonansseiksi.

Kaikki varautuneet alkuainehiukkaset, fotonit ja neutraalihiukkaset, joilla on magneettinen momentti (esimerkiksi neutronit), ovat sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kohteena. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ytimessä on yhteys sähkömagneettiseen kenttään. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimat ovat noin 100 kertaa heikommat kuin vahvan vuorovaikutuksen voimat. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen pääalue on atomit ja molekyylit (katso Molekyyli). Tämä vuorovaikutus määrittää kiinteiden aineiden rakenteen, kemikaalin luonteen. prosessit. Sitä ei rajoita alkuainehiukkasten välinen etäisyys, joten atomin koko on noin 10 4 kertaa suurempi kuin atomin ytimen koko.

Heikko vuorovaikutus on alkuainehiukkasten äärimmäisen hitaiden prosessien taustalla. Esimerkiksi neutriinot, joilla on heikko vuorovaikutus, voivat tunkeutua vapaasti Maan ja Auringon paksuuden läpi. Heikko vuorovaikutus aiheuttaa myös ns. kvasistabiilien alkuainehiukkasten hidasta hajoamista, joiden elinikä on 10 8 - 10 -10 sekuntia. Alkuainehiukkasia, jotka syntyvät vahvan vuorovaikutuksen aikana (10 -23 -10 -24 sekunnissa), mutta jotka hajoavat hitaasti (10 -10 s.), kutsutaan oudoksi.

Alkuainehiukkasten väliset gravitaatiovuorovaikutukset antavat erittäin pieniä vaikutuksia hiukkasten massojen merkityksettömyyden vuoksi. Tämän tyyppistä vuorovaikutusta on tutkittu hyvin suurimassaisissa makroobjekteissa.

Alkuainehiukkasten monimuotoisuus, joilla on erilaiset fysikaaliset ominaisuudet, selittää niiden systematisoinnin vaikeuden. Kaikista alkuainehiukkasista vain fotonit, elektronit, neutriinot, protonit ja niiden antihiukkaset ovat itse asiassa stabiileja, koska niillä on pitkä käyttöikä. Nämä hiukkaset ovat muiden alkuainehiukkasten spontaanin muuntumisen lopputuotteita. Alkuainehiukkasten synty voi tapahtua kolmen ensimmäisen vuorovaikutustyypin seurauksena. Voimakkaasti vuorovaikutuksessa oleville hiukkasille voimakkaat vuorovaikutusreaktiot ovat tuotannon lähde. Leptonit syntyvät todennäköisimmin muiden alkuainehiukkasten hajoamisesta tai syntyvät pareittain (hiukkas + antihiukkanen) fotonien vaikutuksesta.

Alkuainehiukkasten virrat muodostavat ionisoivaa säteilyä (katso) aiheuttaen ympäristön neutraalien molekyylien ionisaatiota. Alkuainehiukkasten biologinen vaikutus liittyy korkean kemiallisen aktiivisuuden omaavien aineiden muodostumiseen säteilytetyissä kudoksissa ja kehon nesteissä. Näitä aineita ovat vapaat radikaalit (katso Vapaat radikaalit), peroksidit (katso) ja muut. Alkuainehiukkaset voivat myös vaikuttaa suoraan biomolekyyleihin ja supramolekyylirakenteisiin, aiheuttaa molekyylin sisäisten sidosten katkeamista, makromolekyyliyhdisteiden depolymeroitumista jne. Energian kulkeutumisprosessit ja metastabiilien yhdisteiden muodostuminen, jotka johtuvat pitkäaikaisesta tilan säilymisestä viritys joissakin makromolekyylisubstraateissa. Soluissa entsyymijärjestelmien toiminta vaimenee tai vääristyy, solukalvojen ja pintasolureseptorien rakenne muuttuu, mikä johtaa kalvon läpäisevyyden lisääntymiseen ja diffuusioprosessien muutokseen, johon liittyy proteiinien denaturoitumista, kudosten dehydraatiota, ja solun sisäisen ympäristön häiriintyminen. Solujen herkkyys riippuu suurelta osin niiden mitoosin jakautumisen intensiteetistä (katso Mitoosi) ja aineenvaihdunnasta: tämän intensiteetin kasvaessa kudosten radioherkkyys lisääntyy (katso Radiosensitivity). Tämä alkuainehiukkasten virtausten ominaisuus - ionisoiva säteily - perustuu niiden käyttöön sädehoidossa (katso), erityisesti pahanlaatuisten kasvainten hoidossa. Varautuneiden alkuainehiukkasten läpäisykyky riippuu suurelta osin lineaarisesta energiansiirrosta (katso), eli väliaineen absorboimasta keskimääräisestä energiasta varautuneen hiukkasen kulkupisteessä suhteessa sen polun yksikköön.

Alkuainehiukkasten virtauksen vahingollinen vaikutus vaikuttaa erityisesti hematopoieettisen kudoksen kantasoluihin, kivesten epiteeliin, ohutsuoleen ja ihoon (ks. Säteilytauti, Säteilyvauriot). Ensinnäkin se vaikuttaa järjestelmiin, jotka ovat aktiivisessa organogeneesi- ja erilaistumistilassa säteilytyksen aikana (katso kriittinen elin).

Alkuainehiukkasten biologinen ja terapeuttinen vaikutus riippuu niiden tyypistä ja säteilyannoksesta (katso Ionisoivan säteilyn annokset). Joten esimerkiksi kun koko ihmiskeho altistuu röntgensäteille (katso röntgenhoito), gammasäteilylle (katso Gammahoito) ja protonisäteilylle (katso protonihoito) noin 100 rad:n annoksella, on tilapäinen muutos. hematopoieesissa havaitaan; ulkoinen altistuminen neutronisäteilylle (katso Neutronisäteily) johtaa erilaisten radioaktiivisten aineiden muodostumiseen kehossa, esimerkiksi natrium-, fosfori- jne. radionuklideja. Kun radionuklideja, jotka ovat beetahiukkasten (elektronien tai positronien) tai gamma-kvanttien lähteitä, pääsee sisään kehon sisäinen säteilytys (katso Radioaktiivisten aineiden sisällyttäminen). Erityisen vaarallisia tässä suhteessa ovat esimerkiksi nopeasti imeytyvät radionuklidit, jotka jakautuvat tasaisesti kehossa. tritium (3H) ja polonium-210.

Alkuainehiukkasten lähteitä ja aineenvaihduntaan osallistuvia radionuklideja käytetään radioisotooppidiagnostiikassa (ks.).

Bibliografia: Akhiezer A. I. ja Rekalo M. P. Biography of elementary particles, Kiova, 1983, bibliogr.; Bogolyubov N. N. ja Shirokov D. V. Quantum fields, Moskova, 1980; Syntynyt M. Atomifysiikka, käänn. Englannista, M., 1965; Jones X. Radiologian fysiikka, käänn. englannista M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. ja Frolova A. V. Physical Bases of Kliinisen dosimetrian, M., 1969; Sädehoito korkeaenergisellä säteilyllä, toim. I. Becker ja G. Schubert, käänn. saksasta, M., 1964; Tyubiana M. et al. Sädehoidon ja radiobiologian fyysiset perusteet, s. ranskasta, Moskova, 1969; Shpolsky E.V. Atomic physics, osa 1, M., 1984; Yang Ch. Alkuainehiukkaset, trans. englanniksi M., 1963.

R. V. Stavntsky.

Alkuainehiukkaset, suppeassa merkityksessä - hiukkasia, joiden ei voida katsoa koostuvan muista hiukkasista. Nykyfysiikassa termi " alkuainehiukkasia" käytetään laajemmassa merkityksessä: tämä on nimitys, joka annetaan aineen pienimmille hiukkasille sillä ehdolla, että ne eivät myöskään ole atomeja (protoni on poikkeus); joskus tästä syystä alkuainehiukkasia kutsutaan subydinhiukkasiksi. Useimmat näistä hiukkasista (yli 350 tunnetaan) ovat komposiittijärjestelmiä.

Alkuainehiukkaset osallistua sähkömagneettiseen, heikkoon, vahvaan ja gravitaatiovuorovaikutukseen. Pienistä massoista johtuen alkuainehiukkasia niiden painovoiman vuorovaikutusta ei yleensä oteta huomioon. Kaikki alkuainehiukkasia jaettu kolmeen pääryhmään. Ensimmäinen on niin sanotut bosonit - sähköheikon vuorovaikutuksen kantajat. Tämä sisältää fotonit tai sähkömagneettisen säteilyn kvantti. Fotonin lepomassa on yhtä suuri kuin nolla, joten sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus sisällä (mukaan lukien valoaallot) on fyysisen vaikutuksen etenemisen rajoittava nopeus ja yksi fysikaalisista perusvakioista; hyväksynyt sen kanssa= (299792458±1,2) m/s.

Toinen ryhmä alkuainehiukkasia- leptonit, jotka osallistuvat sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen. Leptonia tunnetaan 6: , elektronineutrino, myon, myonneutrino, raskas τ-leptoni ja vastaava neutrino. Elektronia (symboli e) pidetään luonnon pienimmän massan materiaalikantajana m e , yhtä suuri kuin 9,1 × 10 -28 g (energiayksiköissä ≈0,511 MeV) ja pienin negatiivinen sähkövaraus e\u003d 1,6 × 10 -19 C. Muonit (symboli μ -) ovat hiukkasia, joiden massa on noin 207 elektronimassaa (105,7 MeV) ja sähkövaraus yhtä suuri kuin elektronin; raskaan τ leptonin massa on noin 1,8 GeV. Näitä hiukkasia vastaavat kolme neutriinotyyppiä ovat elektronisia (symboli ν e), myoni (symboli ν μ) ja τ-neutrino (symboli ν τ) ovat kevyitä (mahdollisesti massattomia) sähköisesti neutraaleja hiukkasia.

Jokainen leptoneista vastaa , jolla on samat massan, spinin ja muiden ominaisuuksien arvot, mutta eroaa sähkövarauksen merkistä. On olemassa (symboli e +) - antihiukkanen suhteessa positiivisesti varautuneeseen (symboli μ +) ja kolmen tyyppiseen antineutriinoihin (symbolit ), joille on määritetty päinvastainen merkki erityisestä kvanttiluvusta, jota kutsutaan leptonvaraukseksi (katso alla).

Kolmas alkuainehiukkasten ryhmä - hadronit, ne osallistuvat vahvoihin, heikkoihin ja sähkömagneettisiin vuorovaikutuksiin. Hadronit ovat "raskaita" hiukkasia, joiden massa on paljon suurempi kuin elektronin massa. Tämä on suurin ryhmä alkuainehiukkasia. Hadronit on jaettu baryoneihin - hiukkasiin, joiden spin ½ћ, mesoneihin - hiukkasiin, joiden spin on kokonaisluku (0 tai 1); sekä niin sanotut resonanssit - hadronien lyhytaikaiset kiihtyneet tilat. Baryoneihin kuuluu protoni (symboli p) - vetyatomin ydin, jonka massa on ~ 1836 kertaa suurempi kuin m e ja yhtä suuri kuin 1,672648 × 10 -24 g (≈938,3 MeV), ja positiivinen sähkövaraus, joka on yhtä suuri kuin neutronin varaus (symboli n) - sähköisesti neutraali hiukkanen, jonka massa ylittää hieman protonin massan. Kaikki on rakennettu protoneista ja neutroneista, vahva vuorovaikutus määrittää näiden hiukkasten yhteyden toisiinsa. Voimakkaassa vuorovaikutuksessa protonilla ja neutronilla on samat ominaisuudet ja niitä pidetään yhden hiukkasen - nukleonin, jonka isotooppinen spin ½ћ - kahdeksi kvanttitilaksi (katso alla). Baryoneihin kuuluvat myös hyperonit - alkuainehiukkasia jonka massa on suurempi kuin nukleonin massa: Λ-hyperonin massa on 1116 MeV, Σ-hyperonin - 1190 MeV, Θ-hyperonin - 1320 MeV, Ω-hyperonin - 1670 MeV. Mesoneilla on massat protonin ja elektronin massojen välissä (π-mesoni, K-mesoni). On neutraaleja ja varautuneita mesoneja (positiivinen ja negatiivinen alkusähkövaraus). Kaikki mesonit luokitellaan bosoneiksi tilastollisten ominaisuuksiensa mukaan.

Alkuainehiukkasten perusominaisuudet

Jokainen alkeishiukkanen kuvataan fysikaalisten suureiden (kvanttilukujen) diskreettien arvojen joukolla. Yleiset ominaisuudet kaikille alkuainehiukkasia- massa, käyttöikä, spin, sähkövaraus.

Elinajasta riippuen alkuainehiukkasia jaetaan stabiileihin, kvasistabiileihin ja epävakaisiin (resonanssit). Vakaita (nykyaikaisten mittausten tarkkuudella) ovat: elektroni (elinikä yli 5 × 10 21 vuotta), protoni (yli 10 31 vuotta), fotoni ja neutrino. Kvasistabiileja hiukkasia ovat hiukkaset, jotka hajoavat sähkömagneettisten ja heikkojen vuorovaikutusten vuoksi ja joiden elinikä on yli 10-20 s. Resonanssit vaimenevat voimakkaasta vuorovaikutuksesta johtuen, niille ominaiset elinajat ovat 10 -22 - 10 -24 s.

Sisäiset ominaisuudet (kvanttiluvut) alkuainehiukkasia ovat lepton (symboli L) ja baryoninen (symboli AT) maksut; näitä lukuja pidetään tiukasti säilyneinä suureina kaikentyyppisille perustavanlaatuisille vuorovaikutuksille. Leptoneille ja niiden antihiukkasille L on päinvastaisia ​​merkkejä; baryoneille AT= 1, vastaaville antihiukkasille AT=-1.

Hadroneille on ominaista erityisten kvanttilukujen läsnäolo: "outo", "viehätys", "kauneus". Tavalliset (ei-vieraat) hadronit - protoni, neutroni, π-mesonit. Eri hadroniryhmissä on hiukkasryhmiä, joilla on samanlaiset massat ja samanlaiset ominaisuudet voimakkaan vuorovaikutuksen suhteen, mutta joilla on erilaiset sähkövaraukset; Yksinkertaisin esimerkki on protoni ja neutroni. Sellaisen kokonaiskvanttiluku alkuainehiukkasia- ns. isotooppinen spin, joka tavallisen spinin tapaan ottaa kokonaislukuja ja puolikokonaislukuja. Hadronien erityispiirteisiin kuuluu sisäinen pariteetti, joka saa arvot ±1.

Tärkeä omaisuus alkuainehiukkasia- niiden kyky tehdä keskinäisiä muutoksia sähkömagneettisten tai muiden vuorovaikutusten seurauksena. Yksi keskinäisten muunnosten tyypeistä on ns. parin syntyminen eli hiukkasen ja antipartikkelin muodostuminen samanaikaisesti (yleensä parin muodostuminen alkuainehiukkasia vastakkaisilla leptoni- tai baryonivarauksilla). Mahdollisia prosesseja ovat elektroni-positroniparien e - e +, myoniparien μ + μ - uusien raskaiden hiukkasten syntyminen leptonien törmäyksissä, kvarkkien muodostuminen cc- ja bb-valtiot (katso alla). Toinen vaihtotyyppi alkuainehiukkasia- parin tuhoutuminen hiukkasten törmäysten aikana, jolloin muodostuu äärellinen määrä fotoneja (γ-kvantti). Yleensä syntyy 2 fotonia, kun törmäävien hiukkasten kokonaisspin on nolla, ja 3 fotonia syntyy, kun kokonaisspin on yhtä suuri kuin 1 (varauspariteetin säilymislain ilmentymä).

Tietyissä olosuhteissa, erityisesti törmäyshiukkasten pienellä nopeudella, on mahdollista muodostaa sidottu systeemi - positronium e - e + ja muonium μ + e - . Näitä epävakaita järjestelmiä kutsutaan usein vetymäisiksi. Niiden elinikä aineessa riippuu suurelta osin aineen ominaisuuksista, mikä mahdollistaa vetymäisten atomien avulla tiivistyneen aineen rakenteen ja nopeiden kemiallisten reaktioiden kinetiikkaa tutkittaessa (ks. Meson chemistry, Nuclear chemistry).

Hadronien kvarkkimalli

Hadronien kvanttilukujen yksityiskohtainen tarkastelu niiden luokittelua varten johti siihen johtopäätökseen, että omituiset hadronit ja tavalliset hadronit muodostavat yhdessä hiukkasyhdistelmiä, joilla on samanlaiset ominaisuudet, joita kutsutaan yhtenäisiksi multipleteiksi. Niissä olevien hiukkasten lukumäärä on 8 (oktetti) ja 10 (dekupletti). Hiukkasilla, jotka muodostavat yhtenäisen multipletin, on sama sisäinen pariteetti, mutta ne eroavat sähkövarauksen arvoista (isotooppisen multipletin hiukkasista) ja omituisuudesta. Symmetriaominaisuudet liittyvät yhtenäisiin ryhmiin, niiden löytö oli perustana päätelmälle erityisten rakenneyksiköiden olemassaolosta, joista hadronit rakennetaan - kvarkeja. Uskotaan, että hadronit ovat yhdistelmiä kolmesta perushiukkasesta, joiden spin ½: n- kvarkit, d- kvarkit ja s- kvarkit. Joten mesonit koostuvat kvarkista ja antikvarkista, baryonit koostuvat 3 kvarkista.

Oletus, että hadronit koostuvat kolmesta kvarkista, tehtiin vuonna 1964 (J. Zweig ja itsenäisesti M. Gell-Man). Myöhemmin hadronin rakennemalliin sisällytettiin vielä kaksi kvarkkia (erityisesti ristiriidan välttämiseksi Paulin periaatteen kanssa) - "lumottu" kvarkki ( kanssa) ja kaunis" ( b), sekä kvarkkien erityisominaisuuksien - "maku" ja "väri" - käyttöönotto. Hadronien komponentteina toimivia kvarkkeja ei havaittu vapaassa tilassa. Hadronien koko valikoima johtuu erilaisista yhdistelmistä n-, d-, s-, kanssa- ja b-Kvarkit muodostavat sidotut tilat. Tavalliset hadronit (protoni, neutroni, π-mesonit) vastaavat sidottuja tiloja, jotka on rakennettu n- ja d- kvarkit. Läsnäolo hadronissa sekä n- ja d- yhden kvarkot s-, kanssa- tai b-kvarkki tarkoittaa, että vastaava hadron on "outo", "lumottu" tai "kaunis".

Hadronien rakenteen kvarkkimalli vahvistettiin 1960-luvun lopulla ja 1970-luvun alussa tehtyjen kokeiden tuloksena. 20. vuosisata Kvarkkeja alettiin itse asiassa pitää uutena alkuainehiukkasia- totta alkuainehiukkasia aineen hadroniselle muodolle. Vapaiden kvarkkien havaitsemattomuus on ilmeisesti perustavanlaatuista ja antaa aihetta olettaa, että ne ovat niitä alkuainehiukkasia, jotka täydentävät aineen rakenteellisten ainesosien ketjun. On olemassa teoreettisia ja kokeellisia perusteita sen puolesta, että kvarkkien välillä vaikuttavat voimat eivät heikkene etäisyyden myötä, ts. kvarkkien erottamiseen toisistaan ​​tarvitaan äärettömän suuri energia, eli toisin sanoen kvarkkien ilmaantuminen vapaassa tilassa on mahdotonta. Tämä tekee niistä täysin uudentyyppisiä aineen rakenneyksiköitä. On mahdollista, että kvarkit toimivat viimeisenä vaiheena aineen pirstoutumisessa.

Lyhyt historiatieto

Ensin auki alkeishiukkanen siellä oli elektroni - negatiivisen sähkövarauksen kantaja atomeissa (J.J. Thomson, 1897). Vuonna 1919 E. Rutherford löysi protoneja atomiytimistä syrjäytyneiden hiukkasten joukosta. J. Chadwick löysi neutronit vuonna 1932. Vuonna 1905 A. Einstein oletti, että sähkömagneettinen säteily on yksittäisten kvanttien (fotonien) virtaa ja selitti tämän perusteella valosähköisen vaikutuksen kuviot. olemassaolo erikoisuutena alkeishiukkanen ensimmäisenä ehdotti W. Pauli (1930); elektroninen

Alkuainehiukkaset

Aineen rakenteen tarkastelu on luonnollista aloittaa "pienimmistä" rakenneyksiköistä, joiden olemassaolo on nyt todettu. Tällaisia ​​hiukkasia kutsutaan alkuainehiukkasiksi, jakamattomiksi (niiden rakennetta ei havaita) ja perushiukkasiksi, joista aine koostuu.

Alkuainehiukkasten luokitus. Vahvaan vuorovaikutukseen osallistuvat hiukkaset muodostavat hadronien perheen. Nämä ovat baryoneja (protoni R, neutroni n), hyperonit (λ, Σ jne.), mesonit (π-; k-), sekä suuri joukko niin kutsuttuja resonanssihiukkasia (resonansseja). Baryoneilla on puolet kokonaislukuja, mesoneilla kokonaislukukierroksia. Baryonit eroavat mesoneista ns. baryonivarauksella, jonka yhteydessä baryonien muuntaminen mesoneiksi on baryonivarauksen säilymislain mukaan kielletty. Tämä on tärkeä ominaisuus, joka varmistaa ytimien ja siten koko ympäröivän maailman vakauden. Itse asiassa, jos baryoneja (protoneja ja neutroneja) olevat nukleonit voisivat muuttua mesoneiksi, atomiytimet lopulta hajoaisivat. Hadronit eivät todellakaan ole alkuainehiukkasia, eli niillä on sisäinen rakenne. Tämä selittää erityisesti useimpien hadronien epävakauden.

Tänä päivänä todella perustavanlaatuisten, rakenteettomia hiukkasia, jotka muodostavat hadroneja, voidaan pitää todistettuna. Näitä hiukkasia kutsutaan kvarkeiksi (Gell-Mann, Zweig, 1963). Niitä ei ole vielä kokeellisesti havaittu, oletettavasti virtauksia, joita ei ole olemassa erikseen, eli vapaassa tilassa. Tiedetään, että kvarkkien varaus on 1/3:n kerrannainen e, ja pyöritys on 1/2. Kvarkeja oletetaan olevan kuutta tyyppiä, joille on ominaista "maku" (ylös, alas, viehätys, outo, tosi, ihana); jokaiselle kvarkille on myös ominaista tietty kvanttiluku - "väri" (punainen, vihreä, sininen). Kaikki baryonit koostuvat kolmesta kvarkista (esimerkiksi protoni kahdesta ylimmästä kvarkista, joiden varaukset +2/3 e ja yksi alempi latauksella - 1/Z e). "Värien" mukaan kvarkkikolmio "valitaan" niin, että protoni on "valkoinen". Mesonit koostuvat kvarkista ja antikvarkista.

Kaikkia muita hiukkasia (paitsi fotonia), jotka eivät osallistu voimakkaaseen vuorovaikutukseen, kutsutaan leptoneiksi. Leptonien perhettä edustaa kuusi rakenteetonta ("piste") hiukkasta: elektroni e, myon μ, tau-lepton (taon) τ ja näitä hiukkasia vastaavat neutriinot ( v e , v μ , v τ).

Kvarkki-leptoni-symmetriaperiaatteen mukaan jokainen leptoni vastaa tiettyä kvarkkia (taulukko 5.2).

Taulukko 5.2.

Siten kvarkeja ja leptoneja pidetään nykyään yhdessä vuorovaikutuksen kantajina olevien hiukkasten kanssa todella alkeishiukkasina (perus)hiukkasina. Ensimmäisen sukupolven leptoneista ja kvarkeista yhdessä fotonien kanssa rakennetaan nykyaikainen maailmankaikkeus. Uskotaan, että toisen ja kolmannen sukupolven hiukkasilla oli tärkeä rooli varhaisessa universumissa, alkuräjähdyksen ensimmäisinä hetkinä, kun taas kvarkkien ja leptonien eroa ei ollut olemassa.

Alkuainehiukkasten tärkeimmät ominaisuudet. Yksi alkuainehiukkasten tärkeimmistä ominaisuuksista on stabiilisuus, eli kyky olla vapaassa tilassa tietyn ajan (elinajan). Kokeellisesti havaituista hiukkasista vain harvat ovat pysyviä. Protoni, elektroni, fotoni ja, kuten uskotaan, kaiken tyyppiset neutriinot voivat olla olemassa loputtomasti vapaassa tilassa. Kaikki muut hiukkaset, jotka pyrkivät siirtymään tilaan, jossa on minimienergia, hajoavat enemmän tai vähemmän nopeasti saavuttaen lopullisen vakaan tilan. Lyhin käyttöikä (~10 -23 s) on resonoivilla hiukkasilla. Vapaassa tilassa oleva neutroni on olemassa ~10 3 s. Leptonien suvussa myon "elää" ~10-6 s, taon ~10-12 s.

Oletetaan, että luonnossa lyhytikäisillä alkuainehiukkasilla on ratkaiseva rooli äärimmäisissä olosuhteissa, kuten maailmankaikkeuden muodostumisen alkuvaiheissa.

lepomassat stabiileilla alkuainehiukkasilla on seuraavat merkitykset: protoni m p ≈ 1,67 10 -27 kg, elektroni m e ≈ 0,91 10 -30 kg. Fotonilla ja kaikentyyppisillä neutriinoilla on nolla lepomassa.

Pääsääntöisesti alkuainehiukkasten massat ilmaistaan ​​energiayksiköinä - elektronivolteina. Sitten m p ≈ 938,3 × 10 6 eV = 938,3 MeV, m e ≈ 0,51 MeV.

Alkuainehiukkasilla on sähkövaraus +e tai -e tai ovat sähköisesti neutraaleja.

Elektronivaraus e yhtä suuri kuin -1,6 10 -19 C.

Yksi alkuainehiukkasten tärkeimmistä ominaisuuksista on spin. Spinin arvo määrittää aaltofunktion tyypin (symmetrinen tai antisymmetrinen) ja tilastotyypin (eli lain, joka kuvaa mikropartikkeliryhmän käyttäytymistä). Hiukkaset, joiden spin on nolla tai kokonaisluku (fotonit, π-mesonit jne.) noudattavat Bosen-Einsteinin tilastoja ja niitä kutsutaan bosoneiksi. Hiukkaset, joilla on puolikokonaisluvun spin (elektronit, protonit, neutronit) noudattavat Fermi-Diracin tilastoja ja niitä kutsutaan fermioneiksi. Perusfermionit ovat leptonit ja kvarkit. Fermionit noudattavat Paulin periaatetta, jonka mukaan missään identtisten fermionien järjestelmässä ei kaksi niistä voi olla samanaikaisesti samassa tilassa. Sovellettaessa elektronien jakautumista atomissa Paulin periaate toteaa; että samassa atomissa ei voi olla enempää kuin yksi elektroni, jolla on sama neljän kvanttiluvun sarja n, l, m ja σ .

Paulin periaate perustuu identtisten kvanttihiukkasten erottamattomuuteen. Kun kaksi fermionia vaihdetaan, aaltofunktion on vaihdettava etumerkkiään. Kuitenkin, jos kahden fermionin tilat (eli niiden kvanttilukujoukot) ovat samat, ψ-funktion ei pitäisi muuttaa etumerkkiä. Tämä ristiriita eliminoituu muodollisesti vain, kun ψ=0, mikä tarkoittaa mahdotonta (nollatodennäköisyyttä) löytää hiukkanen sellaisessa tilassa.

Antihiukkaset. Jokaiselle tunnetulle alkuainehiukkaselle on ns. antihiukkanen. Hiukkasen ja antihiukkasen massat, elinajat ja spinit ovat samat. Muut ominaisuudet, esimerkiksi sähkövaraus, magneettimomentti, ovat absoluuttisesti yhtä suuret, mutta etumerkillisesti päinvastaiset. Tällaisia ​​pareja ovat esimerkiksi protoni R ja antiprotoni, elektroni - ja antielektroni e+ (eli positroni e+). Jotkut hiukkaset, kuten fotoni, ovat identtisiä niiden antihiukkasten kanssa.

Antihiukkaset syntyvät ydinreaktioissa riittävän suurilla energioilla, mutta niiden elinikä aineessa on lyhyt. Kun hiukkanen kohtaa antihiukkasen, tapahtuu tuhoutuminen. "Partikkeli-antipartikkeli" -parin massa ja kineettinen energia muunnetaan fotonien tai muiden hiukkasten energiaksi. Esimerkiksi kun elektroni ja positroni annihiloituvat, vapautuu kaksi fotonia:

e - + e+ → 2γ.

Fotonit puolestaan ​​voivat muuttua elektroni-positroni-pareiksi. Tällaisissa reaktioissa ilmenee selvästi klassiselle maailmakuvalle ominaisen selkeän rajan puuttuminen kentän ja aineen välillä.

Atomiytimet

Seuraavaksi harkitussa luonnon esineiden hierarkiassa on atomiydin. Ydin on kahdentyyppisten hadronien - protonien ja neutronien - yhdistetty järjestelmä, joita tässä tapauksessa yhdistää yleinen nimi "nukleonit". Protoni on yksinkertaisimman atomin, vetyatomin, ydin. Sillä on positiivinen varaus, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin elektronin varaus. Neutroni on sähköisesti neutraali. Neutronimassa m n \u003d 1,6750 10 -27 kg. Protonien lukumäärää atomin ytimessä kutsutaan atomiluvuksi ( Z), ja nukleonien kokonaismäärä on massaluku ( MUTTA). Ydinvaraus on positiivinen ja yhtä suuri kuin Z · e. Useimpia atomiytimiä edustavat isotooppiryhmät. Lataa Z jokaisessa isotooppiryhmässä on vakio, mutta neutronien lukumäärä on erilainen. On olemassa pysyviä, pitkäikäisiä ja radioaktiivisia isotooppeja. Radioaktiivisen epävakauden syyt liittyvät neutronien puutteeseen tai ylimäärään ytimen sisällä.

Ytimen koko määritellään ehdollisesti säteellä R ytimiä. Säde kasvaa nukleonien lukumäärän myötä kaavan , jossa R 0 = (1,3 ..., 1,7) · 10 -15 m. Nukleonien "pakkautumistiheys" ytimeen on erittäin korkea ja on ~10 44 nukleonia/m 3 tai 10 17 kg/m 3 .

Kuten jo todettiin, ytimen stabiilisuus selittyy vahvan vuorovaikutuksen tai vetovoiman vetovoiman ydinvoimien läsnäololla. Energia, joka tarvitaan nukleonien pitämiseen ytimessä energian säilymislain mukaisesti, määräytyy työn perusteella, joka on tehtävä ytimen jakamiseksi nukleoneiksi. Tätä energiaa kutsutaan ytimen sitoutumisenergiaksi. Sitoutumisenergia ilmenee ytimen massan vähenemisenä sen muodostumisen aikana verrattuna ytimen muodostavien nukleonien kokonaismassaan:

Arvo Δ m kutsutaan massavikaksi. Sitoutumisenergia määritellään seuraavasti

Yleensä ytimelle on ominaista spesifinen sitoutumisenergia eli energia nukleonia kohti. Kuvassa 5.3 esittää ominaissidosenergian riippuvuuden massaluvusta MUTTA luonnehtii nukleonien sidoslujuutta eri kemiallisten alkuaineiden ytimissä. Kuten kaaviosta seuraa, massaluvuilla (28 ... 138) olevien alkuaineiden ytimien sidokset ovat vahvimmat. Kun lisäät MUTTA sidoksen energia vähenee. Ydinvoiman heikkeneminen selittyy sillä, että kevyissä ytimissä nukleonien sidokset eivät ole kyllästyneet, kun taas raskaissa ytimissä protonien Coulombin hylkiminen toisistaan ​​alkaa vaikuttaa.

Kuvasta 5.3 osoittaa myös, että stabiilimpien ytimien muodostumisprosessit (eli joille on tunnusomaista suuret Δ-arvot E SW:n mukana vapautuu energiaa. Näin ollen kevyiden ytimien fuusioreaktio raskaampien ytimien muodostumiseen (nuoli 1 kuvassa 5.3) ja raskaiden ytimien fissioreaktiot (nuoli 2 kuvassa 5.3) ovat energian kannalta lupaavia.

Tätä asiaa käsitellään yksityiskohtaisesti kurssin toisessa osassa.

Ydinreaktiot. Radioaktiivisuus. Ydinreaktiot ovat prosesseja, joissa joidenkin alkuaineiden ytimet saadaan muiden alkuaineiden ytimistä. Nämä prosessit voivat tapahtua sekä ulkoisten vaikutusten seurauksena (esimerkiksi "ytimen törmäykset muiden hiukkasten kanssa") että spontaanisti, spontaanisti (radioaktiivinen kasvu).

Ydinreaktiot on kirjoitettu kuten kemialliset reaktiot. Esimerkiksi uraaniytimen fissioreaktion seurauksena törmäyksessä neutronin kanssa muodostuu cesium- ja rubidiumytimiä ja kaksi neutronia:

Ytimen säteilytystä neutroneilla käytetään useimmiten ydinreaktioiden suorittamiseen. Tosiasia on, että sähköisesti neutraali neutroni ei koe ytimen protonien Coulombin hylkimistä ja tunkeutuu helposti siihen. Suurienergisen (>100 MeV) neutronisäteilyn vaikutuksesta kaikki ytimet jakautuvat.

Hajoamisreaktioissa vapautuvat neutronit voivat aiheuttaa muiden ytimien fissiota, jonka seurauksena tapahtuu ketjureaktio - lumivyöryn kaltainen prosessi, esimerkiksi atomipommin räjähdys. Osa neutroneista voidaan poistaa halkeamiskelpoisesta materiaalista, jolloin fissioreaktiota voidaan ohjata. Grafiittisauvojen neutronien absorptiota käytetään ydinreaktoreissa.

Ytimen spontaania hajoamista eri hiukkasten emissiolla kutsutaan radioaktiivisuudeksi. Missä tahansa radioaktiivisessa hajoamisessa alkuytimen massa ylittää leikattujen tuotteiden yksikkömassan, ts. energiaa vapautuu. Luonnollisen radioaktiivisuuden löysi A. Bskkerel (1896), ja keinotekoisen - Joliot-Curien puolisot (1936). Radioaktiivisuuden päätyypit ovat alfa-, beeta- ja gammahajoaminen.

Alfahajoaminen koostuu ci-hiukkasen spontaanista emissiosta ytimen (eli heliumytimen) toimesta. Alfahajoamista havaitaan vain raskaissa ytimissä, joissa Z ≥ 82.

Beetahajoamisen aikana ydin lähettää elektronin ja elektronin antineutrinon (tai positroni- ja elektronineutriinon):

Beetahajoaminen johtuu heikon vuorovaikutuksen aiheuttamasta nukleonien muutoksesta, esimerkiksi ensimmäisessä tallennetuista reaktioista neutronin muunnos tapahtuu kaavion mukaisesti

Gammahajoaminen koostuu korkeaenergisten fotonien (γ-kvanttien) säteilystä ytimen kautta. Ydin, joka on kvanttijärjestelmä, voi olla eri energioissa. Siirtyessä viritetyistä energiatiloista maahan, virittymättömät ytimet lähettävät γ-kvantteja. Tässä tapauksessa ei ytimen massalukua A eikä atominumeroa ZÄlä vaihda.