Kata atom berarti "tidak dapat dibagi". Itu diperkenalkan oleh para filsuf Yunani untuk menunjuk partikel terkecil yang, menurut ide mereka, terdiri dari materi.
Fisikawan dan kimiawan abad kesembilan belas mengadopsi istilah untuk partikel terkecil yang mereka kenal. Meskipun kita telah mampu "membelah" atom untuk waktu yang lama dan yang tidak dapat dibagi tidak lagi dapat dibagi, namun istilah ini tetap dipertahankan. Menurut ide kita sekarang, atom terdiri dari partikel terkecil, yang kita sebut partikel dasar. Ada juga partikel elementer lain yang sebenarnya bukan penyusun atom. Mereka biasanya diproduksi menggunakan siklotron kuat, sinkrotron, dan akselerator partikel lain yang dirancang khusus untuk mempelajari partikel-partikel ini. Mereka juga muncul ketika sinar kosmik melewati atmosfer. Partikel elementer ini meluruh setelah beberapa sepersejuta detik, dan sering kali dalam periode waktu yang lebih singkat setelah kemunculannya. Sebagai hasil peluruhan, mereka berubah, berubah menjadi partikel elementer lainnya, atau melepaskan energi dalam bentuk radiasi.
Studi tentang partikel elementer berfokus pada jumlah partikel elementer berumur pendek yang terus meningkat. Meskipun masalah ini sangat penting, khususnya, karena terkait dengan hukum fisika yang paling mendasar, namun studi tentang partikel saat ini dilakukan hampir secara terpisah dari cabang fisika lainnya. Untuk alasan ini, kami akan membatasi diri untuk hanya mempertimbangkan partikel-partikel yang merupakan komponen permanen dari bahan yang paling umum, serta beberapa partikel yang sangat dekat dengannya. Partikel elementer pertama yang ditemukan pada akhir abad kesembilan belas adalah elektron, yang kemudian menjadi pelayan yang sangat berguna. Dalam tabung radio, aliran elektron bergerak dalam ruang hampa; dan dengan menyesuaikan aliran inilah sinyal radio yang masuk diperkuat dan diubah menjadi suara atau noise. Dalam pesawat televisi, berkas elektron berfungsi sebagai pena yang secara instan dan akurat mereplikasi pada layar penerima apa yang dilihat kamera pemancar. Dalam kedua kasus ini, elektron bergerak dalam ruang hampa sehingga, jika mungkin, tidak ada yang mengganggu pergerakannya. Properti lain yang berguna adalah kemampuannya, melewati gas, untuk membuatnya bersinar. Jadi, dengan membiarkan elektron melewati tabung kaca berisi gas pada tekanan tertentu, kami menggunakan fenomena ini untuk menghasilkan cahaya neon, yang digunakan pada malam hari untuk menerangi kota-kota besar. Dan inilah pertemuan lain dengan elektron: kilat menyambar, dan berjuta elektron, menembus ketebalan udara, menciptakan suara guntur yang menggelegar.
Namun, dalam kondisi terestrial ada sejumlah kecil elektron yang dapat bergerak bebas, seperti yang kita lihat pada contoh sebelumnya. Kebanyakan dari mereka terikat dengan aman dalam atom. Karena inti atom bermuatan positif, ia menarik elektron bermuatan negatif ke dirinya sendiri, memaksa mereka untuk tetap berada di orbit yang relatif dekat dengan inti. Sebuah atom biasanya terdiri dari nukleus dan sejumlah elektron. Jika sebuah elektron meninggalkan atom, biasanya segera digantikan oleh elektron lain, yang menarik inti atom dengan kekuatan besar dari lingkungan terdekatnya.
Seperti apa elektron yang luar biasa ini? Tidak ada yang pernah melihatnya dan tidak akan pernah melihatnya; namun kita mengetahui sifat-sifatnya dengan sangat baik sehingga kita dapat memprediksi dengan sangat rinci bagaimana ia akan berperilaku dalam situasi yang paling bervariasi. Kita tahu massanya ("beratnya") dan muatan listriknya. Kita tahu bahwa sebagian besar waktu dia berperilaku seolah-olah dia sedang menghadapi masalah yang sangat kecil partikel, dalam kasus lain itu mengungkapkan properti ombak. Sebuah teori elektron yang sangat abstrak, tetapi pada saat yang sama sangat tepat diusulkan dalam bentuk akhirnya beberapa dekade yang lalu oleh fisikawan Inggris Dirac. Teori ini memberi kita kesempatan untuk menentukan dalam keadaan apa elektron akan lebih seperti partikel, dan dalam keadaan apa karakter gelombangnya akan berlaku. Sifat ganda ini - partikel dan gelombang - membuat sulit untuk memberikan gambaran yang jelas tentang elektron; oleh karena itu, teori yang memperhitungkan kedua konsep ini dan memberikan deskripsi lengkap tentang elektron pasti sangat abstrak. Tetapi tidak masuk akal untuk membatasi deskripsi fenomena luar biasa seperti elektron pada gambar duniawi seperti kacang polong dan gelombang.
Salah satu premis teori Dirac tentang elektron adalah bahwa pasti ada partikel elementer yang memiliki sifat yang sama dengan elektron, kecuali partikel itu bermuatan positif dan tidak bermuatan negatif. Memang, kembaran elektron seperti itu ditemukan dan diberi nama positron. Ini adalah bagian dari sinar kosmik, dan juga terjadi sebagai akibat dari peluruhan zat radioaktif tertentu. Dalam kondisi terestrial, kehidupan positron pendek. Segera setelah berada di sekitar elektron, dan ini terjadi di semua zat, elektron dan positron "memusnahkan" satu sama lain; Muatan listrik positif positron menetralkan muatan negatif elektron. Karena, menurut teori relativitas, massa adalah bentuk energi, dan karena energi "tidak dapat dihancurkan", energi yang diwakili oleh massa gabungan elektron dan positron entah bagaimana harus disimpan. Tugas ini dilakukan oleh foton (kuantum cahaya), atau biasanya dua foton, yang dipancarkan sebagai akibat dari tabrakan fatal ini; energi mereka sama dengan energi total elektron dan positron.
Kita juga tahu bahwa proses sebaliknya juga terjadi, sebuah Foton dapat, dalam kondisi tertentu, misalnya, terbang dekat dengan inti atom, membuat elektron dan positron "dari ketiadaan". Untuk ciptaan seperti itu, ia harus memiliki energi setidaknya sama dengan energi yang sesuai dengan massa total elektron dan positron.
Oleh karena itu, partikel elementer tidak abadi atau permanen. Baik elektron maupun positron bisa datang dan pergi; namun, energi dan muatan listrik yang dihasilkan adalah kekal.
Dengan pengecualian elektron, partikel elementer yang kita kenal jauh lebih awal daripada partikel lain bukanlah positron, yang relatif jarang, tetapi proton adalah inti atom hidrogen. Seperti positron, ia bermuatan positif, tetapi massanya sekitar dua ribu kali lebih besar dari massa positron atau elektron. Seperti partikel-partikel ini, proton terkadang menunjukkan sifat gelombang, tetapi hanya dalam kondisi yang sangat khusus. Bahwa sifat gelombangnya kurang menonjol sebenarnya merupakan konsekuensi langsung dari massanya yang jauh lebih besar. Sifat gelombang, yang merupakan karakteristik dari semua materi, tidak menjadi sangat penting bagi kita sampai kita mulai bekerja dengan partikel yang sangat ringan, seperti elektron.
Proton adalah partikel yang sangat umum.Atom hidrogen terdiri dari proton, yang merupakan intinya, dan elektron, yang mengorbit di sekitarnya. Proton juga merupakan bagian dari semua inti atom lainnya.
Fisikawan teoretis meramalkan bahwa proton, seperti elektron, memiliki antipartikel. Pembukaan proton negatif atau antiproton, yang memiliki sifat yang sama dengan proton tetapi bermuatan negatif, membenarkan prediksi ini. Tumbukan antiproton dengan proton "memusnahkan" keduanya dengan cara yang sama seperti dalam kasus tumbukan elektron dan positron.
Partikel elementer lainnya neutron, memiliki massa yang hampir sama dengan proton, tetapi bersifat netral (tidak bermuatan listrik sama sekali). Penemuannya pada tahun tiga puluhan abad kita - kira-kira bersamaan dengan penemuan positron - sangat penting bagi fisika nuklir. Neutron adalah bagian dari semua inti atom (dengan pengecualian, tentu saja, inti atom hidrogen biasa, yang hanya merupakan proton bebas); Ketika inti atom rusak, ia melepaskan satu (atau lebih) neutron. Ledakan bom atom terjadi karena neutron yang dilepaskan dari inti uranium atau plutonium.
Karena proton dan neutron bersama-sama membentuk inti atom, dan keduanya disebut nukleon, Setelah beberapa waktu, neutron bebas berubah menjadi proton dan elektron.
Kita akrab dengan partikel lain yang disebut antineutron, yang, seperti neutron, netral secara elektrik. Ini memiliki banyak sifat neutron, tetapi salah satu perbedaan mendasar adalah bahwa antineutron meluruh menjadi antiproton dan elektron. Bertabrakan, neutron dan antineutron saling menghancurkan,
foton, atau kuantum cahaya, partikel elementer yang sangat menarik. Ingin membaca buku, kami menyalakan bola lampu. Jadi, bola lampu yang disertakan menghasilkan sejumlah besar foton yang bergegas ke buku, serta ke semua sudut ruangan lainnya, dengan kecepatan cahaya. Beberapa dari mereka, menabrak dinding, langsung mati, yang lain lagi dan lagi memukul dan memantul dari dinding benda lain, tetapi setelah kurang dari sepersejuta detik dari saat mereka muncul, mereka semua mati, kecuali beberapa. yang berhasil melarikan diri melalui jendela dan menyelinap ke luar angkasa. Energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan foton disuplai oleh elektron yang mengalir melalui bola lampu yang menyala; sekarat, foton memberikan energi ini ke buku atau objek lain, memanaskannya, atau ke mata, menyebabkan stimulasi saraf optik.
Energi foton, dan karenanya massanya, tidak tetap: ada foton yang sangat ringan dan juga yang sangat berat. Foton yang menghasilkan cahaya biasa sangat ringan, massanya hanya sepersejuta massa elektron. Foton lain memiliki massa yang hampir sama dengan massa elektron, dan bahkan lebih banyak lagi. Contoh foton berat adalah sinar-x dan sinar gamma.
Berikut adalah aturan umum: semakin ringan partikel elementer, semakin ekspresif sifat gelombangnya. Partikel elementer terberat - proton - mengungkapkan karakteristik gelombang yang relatif lemah; mereka agak lebih kuat untuk elektron; yang terkuat adalah foton. Memang, sifat gelombang cahaya ditemukan jauh lebih awal daripada karakteristik selnya. Kita telah mengetahui bahwa cahaya tidak lebih dari pergerakan gelombang elektromagnetik sejak Maxwell mendemonstrasikannya selama paruh kedua abad terakhir, tetapi Planck dan Einstein pada awal abad kedua puluh yang menemukan bahwa cahaya juga memiliki karakteristik sel, yang kadang-kadang dipancarkan dalam bentuk "kuanta" yang terpisah, atau, dengan kata lain, dalam bentuk aliran foton. Tidak dapat disangkal bahwa sulit untuk menyatukan dan menggabungkan dalam pikiran kita dua konsepsi yang tampaknya berbeda tentang sifat cahaya; tetapi kita dapat mengatakan bahwa, seperti "sifat ganda" elektron, konsepsi kita tentang fenomena yang sulit dipahami seperti cahaya harus sangat abstrak. Dan hanya ketika kita ingin mengekspresikan ide kita dalam istilah kasar, kita terkadang harus menyamakan cahaya dengan aliran partikel, foton, atau gerakan gelombang yang bersifat elektromagnetik.
Ada hubungan antara sifat sel dari fenomena dan sifat "gelombangnya". Semakin berat partikel, semakin pendek panjang gelombang yang sesuai; semakin panjang panjang gelombang, semakin ringan partikel yang sesuai. Sinar-X, yang terdiri dari foton yang sangat berat, memiliki panjang gelombang yang sangat pendek. Cahaya merah, yang memiliki panjang gelombang lebih panjang dari cahaya biru, terdiri dari foton yang lebih ringan daripada foton cahaya biru. Gelombang elektromagnetik terpanjang yang ada - gelombang radio - terdiri dari foton kecil. Gelombang ini tidak menunjukkan sifat partikel sedikit pun, sifat gelombangnya menjadi karakteristik yang sepenuhnya dominan.
Dan akhirnya, partikel elementer terkecil dari semua partikel elementer kecil adalah neutrino. Itu tidak memiliki muatan listrik, dan jika memiliki massa, maka itu mendekati nol. Dengan sedikit berlebihan, kita dapat mengatakan bahwa neutrino sama sekali tidak memiliki sifat.
Pengetahuan kita tentang partikel elementer adalah batas modern fisika. Atom ditemukan pada abad kesembilan belas, dan para ilmuwan saat itu menemukan semakin banyak jenis atom yang berbeda; sama halnya hari ini kita menemukan semakin banyak partikel elementer. Dan meskipun telah dibuktikan bahwa atom terdiri dari partikel elementer, kita tidak dapat berharap bahwa dengan analogi akan ditemukan bahwa partikel elementer terdiri dari partikel yang lebih kecil lagi. Masalah yang kita hadapi saat ini sangat berbeda, dan tidak ada tanda sedikit pun bahwa kita dapat membelah partikel elementer. Sebaliknya, diharapkan akan ditunjukkan bahwa semua partikel elementer adalah manifestasi dari satu fenomena yang lebih mendasar. Dan jika mungkin untuk menetapkan ini, kita akan dapat memahami semua sifat partikel elementer; bisa menghitung massa mereka dan bagaimana mereka berinteraksi. Banyak upaya telah dilakukan untuk mendekati solusi masalah ini, yang merupakan salah satu masalah terpenting dalam fisika.
Partikel dasar adalah partikel yang belum menemukan struktur internal. Bahkan di abad terakhir, atom dianggap sebagai partikel elementer. Struktur internal mereka - inti dan elektron - ditemukan pada awal abad ke-20. dalam percobaan E. Rutherford. Ukuran atom sekitar 10 -8 cm, inti puluhan ribu kali lebih kecil, dan ukuran elektron sangat kecil. Ini kurang dari 10 -16 cm, sebagai berikut dari teori dan eksperimen modern.
Jadi, sekarang elektron adalah partikel elementer. Adapun inti, struktur internal mereka terungkap tak lama setelah penemuan mereka. Mereka terdiri dari nukleon - proton dan neutron. Inti cukup padat: jarak rata-rata antara nukleon hanya beberapa kali ukurannya sendiri. Untuk mengetahui apa yang terdiri dari nukleon, butuh sekitar setengah abad, namun, pada saat yang sama, misteri alam lainnya muncul dan terpecahkan.
Nukleon terdiri dari tiga quark, yang bersifat elementer dengan presisi yang sama dengan elektron, yaitu radiusnya kurang dari 10 -16 cm. Jari-jari nukleon - ukuran area yang ditempati oleh quark - sekitar 10 -13 cm. partikel - baryon, terdiri dari tiga quark yang berbeda (atau identik). Quark dapat membentuk tiga kali lipat dengan cara yang berbeda, dan ini menentukan perbedaan sifat baryon, misalnya, ia dapat memiliki putaran yang berbeda.
Selain itu, quark dapat bergabung menjadi pasangan - meson, yang terdiri dari quark dan antiquark. Spin meson mengambil nilai integer, sedangkan untuk baryon membutuhkan nilai setengah integer. Baryon dan meson bersama-sama disebut hadron.
Quark belum ditemukan dalam bentuk bebas, dan menurut konsep yang diterima saat ini, mereka hanya dapat eksis dalam bentuk hadron. Sebelum penemuan quark, hadron dianggap partikel elementer untuk beberapa waktu (dan nama ini masih cukup umum dalam literatur).
Indikasi eksperimental pertama dari struktur komposit hadron adalah eksperimen tentang hamburan elektron oleh proton di akselerator linier Stanford (AS), yang hanya dapat dijelaskan dengan mengasumsikan adanya beberapa objek titik di dalam proton.
Segera menjadi jelas bahwa ini adalah quark, yang keberadaannya diasumsikan lebih awal oleh para ahli teori.
Berikut adalah tabel partikel elementer modern. Selain enam jenis quark (sejauh ini hanya lima yang muncul dalam eksperimen, tetapi para ahli teori menyarankan bahwa ada juga yang keenam), tabel ini mencantumkan lepton - partikel yang juga dimiliki elektron. Muon dan (baru-baru ini) t-lepton juga telah ditemukan dalam keluarga ini. Masing-masing memiliki neutrino sendiri, sehingga lepton secara alami membelah menjadi tiga pasang e, n e; m, n m ;t, nt .
Masing-masing pasangan ini bergabung dengan pasangan quark yang sesuai menjadi empat kali lipat, yang disebut generasi. Sifat-sifat partikel diulang dari generasi ke generasi, seperti dapat dilihat dari tabel. Hanya massanya yang berbeda. Generasi kedua lebih berat dari yang pertama, dan generasi ketiga lebih berat dari yang kedua.
Di alam, sebagian besar ada partikel generasi pertama, dan sisanya dibuat secara artifisial pada akselerator partikel bermuatan atau selama interaksi sinar kosmik di atmosfer.
Selain spin 1/2 quark dan lepton, yang secara kolektif disebut partikel materi, tabel mencantumkan partikel dengan spin 1. Ini adalah kuanta medan yang diciptakan oleh partikel materi. Dari jumlah tersebut, partikel yang paling terkenal adalah foton, kuantum medan elektromagnetik.
Yang disebut boson perantara W+ dan W- , yang memiliki massa yang sangat besar, baru-baru ini ditemukan dalam eksperimen di penghitung R-balok dengan energi beberapa ratus GeV. Ini adalah pembawa interaksi lemah antara quark dan lepton. Dan akhirnya, gluon adalah pembawa interaksi yang kuat antara quark. Seperti quark itu sendiri, gluon tidak ditemukan dalam bentuk bebas, tetapi muncul pada tahap peralihan dari reaksi penciptaan dan pemusnahan hadron. Baru-baru ini, jet hadron yang dihasilkan oleh gluon telah terdeteksi. Karena semua prediksi teori quark dan gluon - kromodinamika kuantum - sesuai dengan pengalaman, hampir tidak ada keraguan tentang keberadaan gluon.
Partikel dengan spin 2 adalah graviton. Keberadaannya bermula dari teori gravitasi Einstein, prinsip mekanika kuantum dan teori relativitas. Akan sangat sulit untuk mendeteksi graviton secara eksperimental, karena interaksinya sangat lemah dengan materi.
Terakhir, tabel dengan tanda tanya menunjukkan partikel dengan spin 0 (H-meson) dan 3/2 (gravitino); mereka belum ditemukan secara eksperimental, tetapi keberadaan mereka diasumsikan dalam banyak model teoretis modern.
partikel dasar
| putaran | 0? | 1/2 | 1 | 3/2 | 2? | ||||||
| judul | partikel Higgs | Partikel materi | Kuanta medan | ||||||||
| quark | lepton | foton | vektor boson | gluon | gravitasi | gravitasi | |||||
| simbol | H | kamu | d | tidak | e | g | Z | W | g | ||
| (bobot) | (?) | (?) | (0,5) | (0) | (~95 GeV) | (~80 GeV) | (?) | (?) | |||
| simbol | dengan | s | nm | m | |||||||
| (bobot) | (0?) | (106) | |||||||||
| simbol | t | b | tidak | t | |||||||
| (bobot) | (0?) | (1784) | |||||||||
| muatan baryon | 0 | 1/3 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Muatan listrik | 0,±1 | 2/3 | 1/3 | 0 | -1 | 0 | 0 | ±1 | 0 | 0 | 0 |
| Warna | - | 3 | 3 | - | - | - | - | - | 8 | - | - |
Hadron - nama umum untuk partikel yang terlibat dalam interaksi kuat . Nama ini berasal dari kata Yunani yang berarti "kuat, besar". Semua hadron dibagi menjadi dua kelompok besar - meson dan baryon.
baryon(dari kata Yunani yang berarti "berat") adalah hadron dengan putaran setengah bilangan bulat . Baryon yang paling terkenal adalah proton dan neutron . Baryon juga mencakup sejumlah partikel dengan bilangan kuantum, yang pernah disebut keanehan. Satuan keanehan dimiliki oleh lambda baryon (L°) dan keluarga sigma baryon (S - , S+ dan S°). Indeks +, -, 0 menunjukkan tanda muatan listrik atau netralitas partikel. Baryon xy (X - dan X°) memiliki dua satuan keanehan. Baryon W - memiliki keanehan sama dengan tiga. Massa baryon yang terdaftar sekitar satu setengah kali massa proton, dan masa pakai karakteristiknya sekitar 10 -10 s. Ingatlah bahwa proton praktis stabil, sedangkan neutron hidup selama lebih dari 15 menit. Tampaknya baryon yang lebih berat berumur sangat pendek, tetapi pada skala mikrokosmos, ini tidak terjadi. Partikel seperti itu, bahkan bergerak relatif lambat, dengan kecepatan yang sama dengan, katakanlah, 10% dari kecepatan cahaya, berhasil menempuh jarak beberapa milimeter dan meninggalkan jejaknya di pendeteksi partikel elementer. Salah satu sifat baryon yang membedakannya dari jenis partikel lain dapat dianggap adanya muatan baryon yang kekal. Nilai ini diperkenalkan untuk menggambarkan fakta eksperimental keteguhan dalam semua proses yang diketahui tentang perbedaan antara jumlah baryon dan antibaryon.
Proton- partikel stabil dari kelas hadron, inti atom hidrogen. Sulit untuk mengatakan peristiwa apa yang harus dianggap sebagai penemuan proton: lagi pula, sebagai ion hidrogen, ia telah dikenal sejak lama. Penciptaan model planet atom oleh E. Rutherford (1911), dan penemuan isotop (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919), dan pengamatan inti hidrogen tersingkir oleh alfa partikel dari inti nitrogen berperan dalam penemuan proton (E. Rutherford, 1919). Pada tahun 1925, P. Blackett menerima foto-foto pertama jejak proton di ruang awan (lihat Detektor radiasi nuklir), membenarkan penemuan transformasi buatan elemen. Dalam percobaan ini, partikel-a ditangkap oleh inti nitrogen, yang memancarkan proton dan berubah menjadi isotop oksigen.
Bersama dengan neutron, proton membentuk inti atom semua unsur kimia, dan jumlah proton dalam inti menentukan nomor atom unsur tertentu. Proton memiliki muatan listrik positif yang sama dengan muatan dasar, yaitu, nilai absolut dari muatan elektron. Ini telah diverifikasi secara eksperimental dengan akurasi 10 -21 . massa proton m p \u003d (938,2796 ± 0,0027) MeV atau ~ 1,6-10 -24 g, yaitu proton 1836 kali lebih berat daripada elektron! Dari sudut pandang modern, proton bukanlah partikel elementer sejati: ia terdiri dari dua kamu-quark dengan muatan listrik +2/3 (dalam satuan muatan dasar) dan satu d-quark dengan muatan listrik -1/3. Quark saling berhubungan dengan pertukaran partikel hipotetis lainnya - gluon, kuanta medan yang membawa interaksi kuat. Data eksperimen, di mana proses hamburan elektron oleh proton dipertimbangkan, memang membuktikan adanya pusat hamburan titik di dalam proton. Eksperimen ini dalam arti tertentu sangat mirip dengan eksperimen Rutherford, yang mengarah pada penemuan inti atom. Sebagai partikel komposit, proton memiliki ukuran berhingga ~ 10 -13 cm, meskipun tentu saja tidak dapat direpresentasikan sebagai bola padat. Sebaliknya, proton menyerupai awan dengan batas kabur, terdiri dari partikel virtual yang muncul dan menghilang.
Proton, seperti semua hadron, berpartisipasi dalam setiap interaksi fundamental. Jadi. interaksi kuat mengikat proton dan neutron dalam inti, interaksi elektromagnetik - proton dan elektron dalam atom. Contoh interaksi lemah adalah peluruhan beta neutron atau transformasi intranuklear proton menjadi neutron dengan emisi positron dan neutrino (untuk proton bebas, proses seperti itu tidak mungkin karena hukum kekekalan dan konversi energi, karena neutron memiliki massa yang sedikit lebih besar). Putaran proton adalah 1/2. Hadron dengan putaran setengah bilangan bulat disebut baryon (dari kata Yunani untuk "berat"). Baryon termasuk proton, neutron, berbagai hiperon (L, S, X, W) dan sejumlah partikel dengan bilangan kuantum baru, yang sebagian besar belum ditemukan. Untuk mengkarakterisasi baryon, nomor khusus telah diperkenalkan - muatan baryon, sama dengan 1 untuk baryon, - 1 - untuk antibaryon, dan O - untuk semua partikel lainnya. Muatan baryon bukanlah sumber medan baryon; muatan ini hanya diperkenalkan untuk menggambarkan keteraturan yang diamati dalam reaksi dengan partikel. Keteraturan ini dinyatakan dalam bentuk hukum kekekalan muatan baryon: perbedaan antara jumlah baryon dan antibaryon dalam sistem dipertahankan dalam setiap reaksi. Kekekalan muatan baryon membuat proton tidak mungkin meluruh, karena itu adalah baryon yang paling ringan. Hukum ini bersifat empiris dan, tentu saja, harus diuji secara eksperimental. Keakuratan hukum kekekalan muatan baryon dicirikan oleh stabilitas proton, perkiraan eksperimental untuk masa pakai yang memberikan nilai setidaknya 1032 tahun.
PARTIKEL DASAR- partikel primer yang tidak dapat didekomposisi lebih lanjut, yang diyakini terdiri dari semua materi. Dalam fisika modern, istilah "partikel elementer" biasanya digunakan untuk merujuk pada sekelompok besar partikel terkecil dari materi yang bukan atom (lihat Atom) atau inti atom (lihat Inti atom); pengecualian adalah inti atom hidrogen - proton.
Pada tahun 80-an abad ke-20, lebih dari 500 partikel dasar telah diketahui sains, sebagian besar tidak stabil. Partikel dasar termasuk proton (p), neutron (n), elektron (e), foton (γ), pi-meson (π), muon (μ), lepton berat (τ + , -), neutrino dari tiga jenis - elektronik (V e), muon (V ) dan terkait dengan apa yang disebut depton berat (V ), serta partikel "aneh" (K-meson dan hyperon), berbagai resonansi, meson dengan pesona tersembunyi, "pesona " partikel, partikel upsilon (Υ), partikel "indah", boson vektor menengah, dll. Cabang fisika independen muncul - fisika partikel dasar.
Sejarah fisika partikel dasar dimulai pada tahun 1897, ketika J. J. Thomson menemukan elektron (lihat Radiasi elektronik); pada tahun 1911, R. Millikan mengukur besarnya muatan listriknya. Konsep "foton" - kuantum cahaya - diperkenalkan oleh Planck (M. Planck) pada tahun 1900. Bukti eksperimental langsung untuk keberadaan foton diperoleh oleh Millikan (1912-1915) dan Compton (A.N. Compton, 1922). Dalam proses mempelajari inti atom, E. Rutherford menemukan proton (lihat radiasi Proton), dan pada tahun 1932 Chadwick (J. Chadwick) - neutron (lihat radiasi Neutron). Pada tahun 1953, keberadaan neutrino, yang telah diprediksi oleh W. Pauli pada tahun 1930, terbukti secara eksperimental.
Partikel dasar dibagi menjadi tiga kelompok. Yang pertama diwakili oleh partikel elementer tunggal - foton, -kuantum, atau kuantum radiasi elektromagnetik. Kelompok kedua adalah lepton (Yunani leptos kecil, ringan), berpartisipasi, selain elektromagnetik, juga dalam interaksi lemah. Enam lepton diketahui: elektron dan neutrino elektron, neutrino muon dan muon, -lepton berat dan neutrino yang sesuai. Yang ketiga - kelompok utama partikel elementer adalah hadron (hadros Yunani besar, kuat), yang berpartisipasi dalam semua jenis interaksi, termasuk interaksi kuat (lihat di bawah). Hadron mencakup partikel dari dua jenis: baryon (bahasa Yunani barys heavy) - partikel dengan putaran setengah bilangan bulat dan massa tidak kurang dari massa proton, dan meson (bahasa Yunani mesos medium) - partikel dengan putaran nol atau bilangan bulat (lihat Elektron resonansi paramagnetik). Baryon termasuk proton dan neutron, hiperon, bagian dari resonansi dan partikel "terpesona" dan beberapa partikel elementer lainnya. Satu-satunya baryon yang stabil adalah proton, baryon lainnya tidak stabil (neutron dalam keadaan bebas adalah partikel yang tidak stabil, tetapi dalam keadaan terikat di dalam inti atom stabil, ia stabil. Meson mendapatkan namanya karena massa yang pertama meson yang ditemukan - pi-meson dan K-meson - memiliki nilai antara massa proton dan elektron. Kemudian, meson ditemukan, yang massanya melebihi massa proton. Hadron juga dicirikan oleh keanehan (S) - nol, bilangan kuantum positif atau negatif. Hadron dengan keanehan nol disebut biasa, dan dengan S 0 - aneh G. Zweig dan M. Gell-Mann secara independen mengusulkan struktur quark hadron pada tahun 1964. Hasil sejumlah percobaan menunjukkan bahwa quark adalah formasi material nyata di dalam hadron.memiliki sejumlah sifat yang tidak biasa, misalnya, muatan listrik fraksional, dll. Dalam keadaan bebas, quark tidak diamati apakah. Dipercaya bahwa semua hadron terbentuk karena berbagai kombinasi quark.
Awalnya, partikel dasar diselidiki dalam studi peluruhan radioaktif (lihat Radioaktivitas) dan radiasi kosmik (lihat). Namun, sejak 50-an abad ke-20, penelitian tentang partikel elementer telah dilakukan pada akselerator partikel bermuatan (lihat), di mana partikel yang dipercepat membombardir target atau bertabrakan dengan partikel yang terbang ke arahnya. Dalam hal ini, partikel berinteraksi satu sama lain, sebagai akibatnya terjadi transformasi timbal balik. Ini adalah bagaimana sebagian besar partikel dasar ditemukan.
Setiap partikel elementer, bersama dengan kekhasan interaksi inherennya, dijelaskan oleh seperangkat nilai diskrit dari kuantitas fisik tertentu yang dinyatakan sebagai bilangan bulat atau pecahan (bilangan kuantum). Karakteristik umum dari semua partikel elementer adalah massa (m), masa hidup (t), spin (J) - momen momentum yang tepat dari partikel elementer, yang memiliki sifat kuantum dan tidak terkait dengan pergerakan partikel secara keseluruhan. , muatan listrik (Ω) dan momen magnet (). Muatan listrik partikel elementer yang dipelajari dalam nilai absolut adalah kelipatan bilangan bulat dari muatan elektron (e≈1.6*10 -10 k). Partikel dasar yang diketahui memiliki muatan listrik sama dengan 0, ±1 dan ±2.
Semua partikel elementer memiliki antipartikel yang sesuai, massa dan putarannya sama dengan massa dan putaran partikel, dan muatan listrik, momen magnet, dan karakteristik lainnya sama dalam nilai absolut dan berlawanan tanda. Misalnya, antipartikel elektron adalah positron - elektron dengan muatan listrik positif. Partikel elementer, identik dengan antipartikelnya, disebut benar-benar netral, misalnya, neutron dan antineutron, neutrino dan antineutrino, dll. Ketika antipartikel berinteraksi satu sama lain, mereka akan musnah (lihat).
Ketika partikel elementer memasuki lingkungan material, mereka berinteraksi dengannya. Ada interaksi kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi. Interaksi kuat (lebih kuat dari elektromagnetik) terjadi antara partikel elementer yang terletak pada jarak kurang dari 10 -15 m (1 fermi). Pada jarak yang lebih besar dari 1,5 fermi, gaya interaksi antar partikel mendekati nol. Ini adalah interaksi yang kuat antara partikel elementer yang memberikan kekuatan inti atom yang luar biasa, yang mendasari stabilitas materi di bawah kondisi terestrial. Ciri khas interaksi kuat adalah kemandiriannya dari muatan listrik. Hadron mampu berinteraksi dengan kuat. Interaksi yang kuat menyebabkan peluruhan partikel berumur pendek (masa hidup pada urutan 10 -23 - 10 -24 detik), yang disebut resonansi.
Semua partikel elementer bermuatan, foton, dan partikel netral yang memiliki momen magnetik (misalnya, neutron) tunduk pada interaksi elektromagnetik. Inti dari interaksi elektromagnetik adalah hubungan dengan medan elektromagnetik. Gaya interaksi elektromagnetik sekitar 100 kali lebih lemah daripada gaya interaksi kuat. Ruang lingkup utama interaksi elektromagnetik adalah atom dan molekul (lihat Molekul). Interaksi ini menentukan struktur padatan, sifat kimianya. proses. Tidak dibatasi oleh jarak antar partikel elementer, oleh karena itu ukuran atom kira-kira 10 4 kali lebih besar dari ukuran inti atom.
Interaksi lemah mendasari proses yang sangat lambat yang melibatkan partikel elementer. Misalnya, neutrino dengan interaksi lemah dapat dengan bebas menembus ketebalan Bumi dan Matahari. Interaksi yang lemah juga menyebabkan peluruhan lambat dari apa yang disebut partikel elementer kuasi-stabil, yang masa hidupnya berkisar antara 10 8 - 10 -10 detik. Partikel dasar yang lahir selama interaksi kuat (dalam 10 -23 -10 -24 detik), tetapi meluruh perlahan (10 -10 detik), disebut aneh.
Interaksi gravitasi antara partikel elementer memberikan efek yang sangat kecil karena massa partikel dapat diabaikan. Jenis interaksi ini telah dipelajari dengan baik pada objek makro dengan massa yang besar.
Keragaman partikel elementer dengan karakteristik fisik yang berbeda menjelaskan kesulitan sistematisasi mereka. Dari semua partikel dasar, hanya foton, elektron, neutrino, proton, dan antipartikelnya yang benar-benar stabil, karena memiliki masa hidup yang panjang. Partikel-partikel ini adalah produk akhir dari transformasi spontan partikel elementer lainnya. Kelahiran partikel elementer dapat terjadi sebagai akibat dari tiga jenis interaksi pertama. Untuk partikel yang berinteraksi kuat, reaksi interaksi kuat adalah sumber produksi. Lepton, kemungkinan besar, muncul dari peluruhan partikel dasar lainnya atau lahir berpasangan (partikel + antipartikel) di bawah pengaruh foton.
Aliran partikel elementer membentuk radiasi pengion (lihat), menyebabkan ionisasi molekul netral lingkungan. Efek biologis partikel elementer dikaitkan dengan pembentukan zat dengan aktivitas kimia tinggi dalam jaringan dan cairan tubuh yang diiradiasi. Zat-zat tersebut antara lain radikal bebas (lihat Radikal bebas), peroksida (lihat) dan lain-lain. Partikel elementer juga dapat memiliki efek langsung pada biomolekul dan struktur supramolekul, menyebabkan putusnya ikatan intramolekul, depolimerisasi senyawa makromolekul, dll. Proses migrasi energi dan pembentukan senyawa metastabil yang dihasilkan dari pelestarian jangka panjang keadaan eksitasi di beberapa substrat makromolekul. Dalam sel, aktivitas sistem enzim ditekan atau diselewengkan, struktur membran sel dan reseptor permukaan sel berubah, yang mengarah pada peningkatan permeabilitas membran dan perubahan proses difusi, disertai dengan fenomena denaturasi protein, dehidrasi jaringan, dan gangguan lingkungan internal sel. Kerentanan sel sangat tergantung pada intensitas pembelahan mitosis mereka (lihat Mitosis) dan metabolisme: dengan peningkatan intensitas ini, radiosuseptibilitas jaringan meningkat (lihat Radiosensitivitas). Sifat aliran partikel elementer ini - radiasi pengion - didasarkan pada penggunaannya untuk terapi radiasi (lihat), terutama dalam pengobatan neoplasma ganas. Daya tembus partikel elementer bermuatan sangat bergantung pada transfer energi linier (lihat), yaitu energi rata-rata yang diserap oleh medium pada titik lewatnya partikel bermuatan, terkait dengan unit lintasannya.
Efek merusak dari aliran partikel elementer terutama mempengaruhi sel punca jaringan hematopoietik, epitel testis, usus halus, dan kulit (lihat Penyakit radiasi, Kerusakan akibat radiasi). Pertama-tama, sistem yang berada dalam keadaan organogenesis aktif dan diferensiasi selama iradiasi terpengaruh (lihat Organ Kritis).
Efek biologis dan terapeutik partikel elementer tergantung pada jenis dan dosis radiasinya (lihat Dosis radiasi pengion). Jadi, misalnya, ketika terkena sinar-x (lihat terapi sinar-X), radiasi gamma (lihat terapi Gamma) dan radiasi proton (lihat Terapi proton) pada seluruh tubuh manusia dengan dosis sekitar 100 rad, perubahan sementara dalam hematopoiesis diamati; paparan eksternal terhadap radiasi neutron (lihat Radiasi neutron) mengarah pada pembentukan berbagai zat radioaktif dalam tubuh, misalnya radionuklida natrium, fosfor, dll. Ketika radionuklida yang merupakan sumber partikel beta (elektron atau positron) atau kuanta gamma masuk tubuh, ini terjadi disebut iradiasi internal tubuh (lihat Penggabungan zat radioaktif). Terutama berbahaya dalam hal ini adalah radionuklida yang dengan cepat menyerap dengan distribusi yang seragam di dalam tubuh, misalnya. tritium (3H) dan polonium-210.
Radionuklida yang merupakan sumber partikel elementer dan berpartisipasi dalam metabolisme digunakan dalam diagnostik radioisotop (lihat).
Bibliografi: Akhiezer A. I. dan Rekalo M. P. Biografi partikel elementer, Kyiv, 1983, bibliogr.; Ladang kuantum Bogolyubov N. N. dan Shirokov D. V., Moskow, 1980; Lahir M. Fisika atom, trans. dari bahasa Inggris, M., 1965; Jones X. Fisika radiologi, trans. dari bahasa Inggris.M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. dan Frolova A. V. Basis fisik dosimetri klinis, M., 1969; Terapi radiasi menggunakan radiasi energi tinggi, ed. I. Becker dan G. Schubert, trans. dari Jerman., M., 1964; Tyubiana M. dkk Fondasi fisik terapi radiasi dan radiobiologi, trans. dari Prancis, Moskow, 1969; Shpolsky E. V. Fisika atom, jilid 1, M., 1984; Yang Ch. Partikel dasar, trans. dari bahasa Inggris. M., 1963.
R.V. Stavntsky.
partikel dasar, dalam arti sempit - partikel yang tidak dapat dianggap terdiri dari partikel lain. Dalam fisika modern, istilah " partikel dasar" digunakan dalam arti yang lebih luas: ini adalah nama yang diberikan untuk partikel terkecil dari materi, dengan syarat bahwa mereka juga bukan atom (proton adalah pengecualian); terkadang karena alasan ini partikel dasar disebut partikel subnuklear. Sebagian besar partikel ini (lebih dari 350 diketahui) adalah sistem komposit.
partikel dasar berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, lemah, kuat dan gravitasi. Karena massa kecil partikel dasar interaksi gravitasi mereka biasanya tidak diperhitungkan. Semua partikel dasar dibagi menjadi tiga kelompok utama. Yang pertama adalah apa yang disebut boson - pembawa interaksi elektrolemah. Ini termasuk foton, atau kuantum radiasi elektromagnetik. Massa diam foton sama dengan nol, oleh karena itu kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam (termasuk gelombang cahaya) adalah kecepatan rambat terbatas dari efek fisik dan merupakan salah satu konstanta fisik dasar; menerima itu dengan= (299792458±1,2) m/s.
Grup kedua partikel dasar- lepton berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik dan lemah. Ada 6 lepton yang diketahui: , neutrino elektron, muon, neutrino muon, -lepton berat dan neutrino yang sesuai. Elektron (simbol e) dianggap sebagai pembawa material dengan massa terkecil di alam m e , sama dengan 9,1 × 10 -28 g (dalam satuan energi 0,511 MeV) dan muatan listrik negatif terkecil e\u003d 1,6 × 10 -19 C. Muon (simbol -) adalah partikel dengan massa sekitar 207 massa elektron (105,7 MeV) dan muatan listrik sama dengan elektron; lepton berat memiliki massa sekitar 1,8 GeV. Tiga jenis neutrino yang sesuai dengan partikel ini adalah elektronik (simbol ν
e), muon (simbol ) dan -neutrino (simbol ) adalah partikel netral elektrik yang ringan (mungkin tidak bermassa).
Masing-masing lepton bersesuaian dengan , yang memiliki nilai massa, putaran, dan karakteristik lain yang sama, tetapi berbeda dalam tanda muatan listrik. Ada (simbol e +) - antipartikel dalam kaitannya dengan , bermuatan positif (simbol +) dan tiga jenis antineutrino (simbol ), yang diberi tanda berlawanan dari bilangan kuantum khusus yang disebut muatan lepton (lihat di bawah).
Kelompok ketiga partikel dasar - hadron, mereka berpartisipasi dalam interaksi yang kuat, lemah dan elektromagnetik. Hadron adalah partikel "berat" dengan massa yang jauh lebih besar daripada massa elektron. Ini adalah kelompok terbesar partikel dasar. Hadron dibagi menjadi baryon - partikel dengan putaran , meson - partikel dengan putaran bilangan bulat (0 atau 1); serta apa yang disebut resonansi - keadaan tereksitasi yang berumur pendek dari hadron. Baryon termasuk proton (simbol p) - inti atom hidrogen dengan massa ~ 1836 kali lebih besar dari m e dan sama dengan 1,672648 × 10 -24 g (≈938,3 MeV), dan muatan listrik positif sama dengan muatan neutron (simbol n) - partikel netral secara elektrik, yang massanya sedikit melebihi massa proton. Semuanya dibangun dari proton dan neutron, itu adalah interaksi yang kuat yang menentukan hubungan partikel-partikel ini satu sama lain. Dalam interaksi yang kuat, proton dan neutron memiliki sifat yang sama dan dianggap sebagai dua keadaan kuantum dari satu partikel - nukleon dengan spin isotop (lihat di bawah). Baryon juga termasuk hiperon - partikel dasar dengan massa lebih besar dari nukleon satu: -hiperon memiliki massa 1116 MeV, -hiperon - 1190 MeV, -hiperon - 1320 MeV, -hiperon - 1670 MeV. Meson memiliki massa antara massa proton dan elektron (π-meson, K-meson). Ada meson netral dan bermuatan (dengan muatan listrik dasar positif dan negatif). Semua meson diklasifikasikan sebagai boson menurut sifat statistiknya.
Sifat dasar partikel elementer
Setiap partikel dasar dijelaskan oleh satu set nilai diskrit besaran fisik (bilangan kuantum). Karakteristik umum dari semua partikel dasar- massa, masa hidup, putaran, muatan listrik.
Tergantung seumur hidup partikel dasar dibagi menjadi stabil, kuasi-stabil dan tidak stabil (resonansi). Stabil (dalam akurasi pengukuran modern) adalah: elektron (umur lebih dari 5 × 10 21 tahun), proton (lebih dari 10 31 tahun), foton dan neutrino. Partikel kuasi-stabil termasuk partikel yang meluruh karena interaksi elektromagnetik dan lemah, masa hidupnya lebih dari 10 -20 s. Peluruhan resonansi karena interaksi yang kuat, masa hidup karakteristiknya adalah 10 -22 - 10 -24 detik.
Karakteristik internal (bilangan kuantum) partikel dasar adalah lepton (simbol L) dan baryon (simbol PADA) biaya; angka-angka ini dianggap sebagai kuantitas yang dilestarikan secara ketat untuk semua jenis interaksi fundamental. Untuk leptonik dan antipartikelnya L memiliki tanda yang berlawanan; untuk baryon PADA= 1, untuk antipartikel yang sesuai PADA=-1.
Hadron dicirikan oleh adanya bilangan kuantum khusus: "keanehan", "pesona", "keindahan". Hadron biasa (tidak aneh) - proton, neutron, -meson. Dalam kelompok hadron yang berbeda, ada keluarga partikel dengan massa yang sama dan sifat yang serupa sehubungan dengan interaksi kuat, tetapi dengan muatan listrik yang berbeda; contoh paling sederhana adalah proton dan neutron. Jumlah bilangan kuantum total untuk partikel dasar- yang disebut putaran isotop, yang, seperti putaran biasa, mengambil nilai bilangan bulat dan setengah bilangan bulat. Karakteristik khusus hadron termasuk paritas internal, yang mengambil nilai ±1.
Properti penting partikel dasar- kemampuan mereka untuk saling bertransformasi sebagai hasil dari interaksi elektromagnetik atau lainnya. Salah satu jenis transformasi timbal balik adalah apa yang disebut kelahiran pasangan, atau pembentukan partikel dan antipartikel (dalam kasus umum, pembentukan pasangan partikel dasar dengan muatan lepton atau baryon yang berlawanan). Proses yang mungkin terjadi adalah pembentukan pasangan elektron-positron e - e + , pasangan muon + - partikel berat baru dalam tumbukan lepton, pembentukan quark cc- dan bb-status (lihat di bawah). Jenis lain dari pertukaran partikel dasar- pemusnahan pasangan selama tumbukan partikel dengan pembentukan jumlah foton yang terbatas (γ-quanta). Biasanya, 2 foton dihasilkan ketika putaran total partikel yang bertabrakan adalah nol, dan 3 foton dihasilkan ketika putaran total sama dengan 1 (perwujudan dari hukum kekekalan paritas muatan).
Dalam kondisi tertentu, khususnya, pada kecepatan rendah partikel bertabrakan, pembentukan sistem terikat dimungkinkan - positronium e - e + dan muonium + e - . Sistem yang tidak stabil ini sering disebut sebagai mirip hidrogen. Masa hidup mereka dalam materi sangat bergantung pada sifat materi, yang memungkinkan untuk menggunakan atom mirip hidrogen untuk mempelajari struktur materi terkondensasi dan kinetika reaksi kimia cepat (lihat kimia Meson, Kimia nuklir).
Model kuark dari hadron
Pertimbangan rinci tentang bilangan kuantum hadron dengan tujuan mengklasifikasikannya mengarah pada kesimpulan bahwa hadron aneh dan hadron biasa bersama-sama membentuk asosiasi partikel dengan sifat serupa, yang disebut kelipatan kesatuan. Jumlah partikel yang termasuk di dalamnya adalah 8 (oktet) dan 10 (decuplet). Partikel yang membentuk kelipatan kesatuan memiliki paritas internal yang sama, tetapi berbeda dalam nilai muatan listrik (partikel kelipatan isotop) dan keanehannya. Sifat simetri dikaitkan dengan kelompok kesatuan, penemuan mereka adalah dasar untuk kesimpulan tentang keberadaan unit struktural khusus dari mana hadron dibangun - quark. Diyakini bahwa hadron adalah kombinasi dari 3 partikel dasar dengan spin : n-quark, d-quark dan s-quark. Jadi, meson terdiri dari quark dan antiquark, baryon terdiri dari 3 quark.
Asumsi bahwa hadron terdiri dari 3 quark dibuat pada tahun 1964 (oleh J. Zweig dan secara independen oleh M. Gell-Man). Selanjutnya, dua quark lagi dimasukkan dalam model struktur hadron (khususnya, untuk menghindari kontradiksi dengan prinsip Pauli) - quark "terpesona" ( dengan) dan cantik" ( b), serta pengenalan karakteristik khusus quark - "rasa" dan "warna". Quark yang bertindak sebagai komponen hadron tidak diamati dalam keadaan bebas. Seluruh variasi hadron disebabkan oleh berbagai kombinasi n-, d-, s-, dengan- dan b-quark membentuk keadaan terikat. Hadron biasa (proton, neutron, -meson) sesuai dengan keadaan terikat yang dibangun dari n- dan d-quark. Kehadiran di hadron, bersama dengan n- dan d-quark satu s-, dengan- atau b-quark berarti hadron yang sesuai adalah "aneh", "terpesona" atau "indah".
Model quark dari struktur hadron dikonfirmasi sebagai hasil eksperimen yang dilakukan pada akhir 1960-an dan awal 1970-an. abad ke-20 Quark sebenarnya mulai dianggap baru partikel dasar- BENAR partikel dasar untuk bentuk materi hadronik. Ketidakterlihatan quark bebas, tampaknya, bersifat fundamental dan memberikan alasan untuk berasumsi bahwa mereka adalah quark bebas. partikel dasar, yang melengkapi rantai konstituen struktural materi. Ada argumen teoretis dan eksperimental yang mendukung fakta bahwa gaya yang bekerja di antara quark tidak melemah dengan jarak, mis. untuk memisahkan quark satu sama lain, diperlukan energi yang sangat besar, atau, dengan kata lain, kemunculan quark dalam keadaan bebas tidak mungkin. Ini membuat mereka menjadi jenis unit struktural materi yang sama sekali baru. Ada kemungkinan bahwa quark bertindak sebagai langkah terakhir dalam fragmentasi materi.
Informasi sejarah singkat
Pertama buka partikel dasar ada elektron - pembawa muatan listrik negatif dalam atom (J.J. Thomson, 1897). Pada tahun 1919, E. Rutherford menemukan proton di antara partikel yang terlempar dari inti atom. Neutron ditemukan pada tahun 1932 oleh J. Chadwick. Pada tahun 1905, A. Einstein mendalilkan bahwa radiasi elektromagnetik adalah aliran kuanta individu (foton) dan, atas dasar ini, menjelaskan pola efek fotolistrik. keberadaan sebagai yang spesial partikel dasar pertama kali diusulkan oleh W. Pauli (1930); elektronik
partikel dasar
Adalah wajar untuk mulai mempertimbangkan struktur materi dari unit struktural "terkecil", yang keberadaannya kini telah ditetapkan. Partikel seperti itu disebut elementer, karena lebih tidak dapat dibagi (strukturnya tidak terdeteksi), dan sebagai fundamental, yang terdiri dari materi.
Klasifikasi partikel elementer Partikel yang berpartisipasi dalam interaksi yang kuat merupakan keluarga hadron. Ini adalah baryon (proton R, neutron n), hiperon (λ, , dll.), meson (π-; k-), serta kelompok besar yang disebut partikel resonansi (resonansi). Baryon memiliki putaran setengah bilangan bulat, meson memiliki putaran bilangan bulat. Baryon berbeda dari meson dalam apa yang disebut muatan baryon, sehubungan dengan itu transformasi baryon menjadi meson dilarang oleh hukum kekekalan muatan baryon. Ini adalah properti penting yang memastikan stabilitas inti dan, akibatnya, seluruh dunia di sekitarnya. Memang, jika nukleon yang merupakan baryon (proton dan neutron) bisa berubah menjadi meson, maka inti atom pada akhirnya akan meluruh. Hadron bukanlah partikel yang benar-benar elementer, artinya, mereka memiliki struktur internal. Ini menjelaskan, khususnya, ketidakstabilan sebagian besar hadron.
Saat ini, keberadaan partikel tak berstruktur yang benar-benar mendasar yang membentuk hadron dapat dianggap terbukti. Partikel ini disebut quark (Gell-Mann, Zweig, 1963). Mereka belum terdeteksi secara eksperimental, mungkin aliran yang tidak ada secara terpisah, yaitu, dalam keadaan bebas. Diketahui bahwa muatan quark adalah kelipatan 1/3 e, dan putarannya adalah 1/2. Seharusnya ada enam jenis quark, dibedakan oleh karakteristik yang disebut "rasa" (atas, bawah, pesona, aneh, benar, indah); setiap kuark juga dicirikan oleh bilangan kuantum tertentu - "warna" (merah, hijau, biru). Semua baryon terdiri dari tiga quark (proton, misalnya, dari dua kuark teratas dengan muatan +2/3 e dan satu yang lebih rendah dengan biaya - 1/Z e). Menurut "warna", trio quark "terpilih" sehingga protonnya "putih". Meson terdiri dari quark dan antiquark.
Semua partikel lain (kecuali foton) yang tidak berpartisipasi dalam interaksi kuat disebut lepton. Keluarga lepton diwakili oleh enam partikel tak berstruktur ("titik"): elektron e, muon , tau-lepton (taon) dan neutrino yang bersesuaian dengan partikel-partikel ini ( v e , v μ , v τ).
Menurut prinsip simetri kuark-lepton, setiap lepton bersesuaian dengan quark tertentu (Tabel 5.2).
Tabel 5.2.
Jadi, quark dan lepton saat ini, bersama dengan interaksi pembawa partikel, dianggap sebagai partikel yang benar-benar elementer (fundamental). Dari lepton dan quark generasi pertama, bersama dengan foton, alam semesta modern dibangun. Diyakini bahwa partikel generasi kedua dan ketiga memainkan peran penting di alam semesta awal, pada saat-saat pertama Big Bang, sementara perbedaan antara quark dan lepton tidak ada.
Karakteristik utama partikel elementer. Salah satu sifat terpenting dari partikel elementer adalah stabilitas, yaitu kemampuan untuk berada dalam keadaan bebas selama waktu tertentu (seumur hidup). Di antara partikel yang terdeteksi secara eksperimental, hanya sedikit yang stabil. Proton, elektron, foton, dan, seperti yang diyakini, neutrino dari semua jenis dapat eksis tanpa batas dalam keadaan bebas. Semua partikel lain, yang cenderung berpindah ke keadaan dengan energi minimum, meluruh lebih atau kurang cepat, mencapai keadaan stabil akhir. Masa pakai terpendek (~10 -23 s) adalah untuk partikel resonansi. Sebuah neutron dalam keadaan bebas ada selama ~10 3 s. Dalam keluarga lepton, muon "hidup" ~10-6 detik, taon ~10-12 detik.
Diasumsikan bahwa partikel elementer berumur pendek di Alam memainkan peran yang menentukan dalam kondisi ekstrem, misalnya, mirip dengan tahap awal pembentukan Semesta.
massa istirahat partikel dasar yang stabil memiliki arti sebagai berikut: proton m p 1,67 10 -27 kg, elektron m e 0,91 10 -30 kg. Foton dan semua jenis neutrino memiliki massa diam nol.
Sebagai aturan, massa partikel elementer dinyatakan dalam satuan energi - elektron volt. Kemudian m p 938.3×10 6 eV = 938.3 MeV, m e 0,51 MeV.
Partikel dasar memiliki muatan listrik +e atau -e atau netral secara listrik.
Muatan elektron e sama dengan - 1,6 10 -19 C.
Salah satu sifat terpenting dari partikel elementer adalah spin. Nilai spin menentukan jenis fungsi gelombang (simetris atau antisimetris) dan jenis statistik (yaitu hukum yang menggambarkan perilaku sekelompok mikropartikel). Partikel dengan putaran nol atau bilangan bulat (foton, -meson, dll.) mematuhi statistik Bose-Einstein dan disebut boson. Partikel dengan putaran setengah bilangan bulat (elektron, proton, neutron) mematuhi statistik Fermi-Dirac dan disebut fermion. Fermion dasar adalah lepton dan quark. Fermion mematuhi prinsip Pauli, yang menurutnya, dalam sistem apa pun dari fermion yang identik, tidak ada dua dari mereka yang dapat secara bersamaan berada dalam keadaan yang sama. Sebagaimana diterapkan pada distribusi elektron dalam sebuah atom, prinsip Pauli menyatakan; bahwa dalam atom yang sama tidak mungkin ada lebih dari satu elektron dengan himpunan empat bilangan kuantum yang sama n,l,m dan σ .
Prinsip Pauli didasarkan pada ketidakterbedaan partikel kuantum identik. Ketika dua fermion dipertukarkan, fungsi gelombang harus berubah tandanya. Namun, jika keadaan dua fermion (yaitu himpunan bilangan kuantumnya) sama, maka fungsi seharusnya tidak berubah tanda. Kontradiksi ini secara formal dihilangkan hanya ketika =0, yang berarti ketidakmungkinan (probabilitas nol) untuk menemukan partikel dalam keadaan seperti itu.
Antipartikel. Untuk setiap partikel dasar yang diketahui ada yang disebut antipartikel. Massa, masa hidup, dan putaran partikel dan antipartikel adalah sama. Sifat-sifat lain, misalnya, muatan listrik, momen magnet, adalah sama dalam nilai mutlak, tetapi berlawanan tanda. Pasangan seperti itu, misalnya, proton R dan antiproton, elektron - dan antielektron e+ (yaitu positron e+). Beberapa partikel, seperti foton, identik dengan antipartikelnya.
Antipartikel lahir dalam reaksi nuklir dengan energi yang cukup tinggi, tetapi masa pakainya singkat. Ketika partikel bertemu antipartikel, pemusnahan terjadi. Massa dan energi kinetik dari pasangan "partikel-antipartikel" diubah menjadi energi foton atau partikel lain. Misalnya, ketika elektron dan positron musnah, dua foton dilepaskan:
e - + e+ → 2γ.
Pada gilirannya, foton dapat berubah menjadi pasangan elektron-positron. Dalam reaksi seperti itu, tidak adanya garis yang jelas antara bidang dan materi, yang merupakan ciri khas gambaran klasik dunia, dimanifestasikan dengan jelas.
inti atom
Berikutnya dalam hierarki objek Alam yang dipertimbangkan adalah inti atom. Nukleus adalah sistem yang terhubung dari dua jenis hadron - proton dan neutron, yang dalam hal ini disatukan dengan nama umum "nukleon". Proton adalah inti atom yang paling sederhana, atom hidrogen. Ia memiliki muatan positif, secara numerik sama dengan muatan elektron. Neutron bersifat netral secara listrik. massa neutron m n \u003d 1,6750 10 -27 kg. Jumlah proton dalam inti atom disebut nomor atom ( Z), dan jumlah nukleon adalah nomor massa ( TETAPI). Muatan inti positif dan sama dengan Z · e. Kebanyakan inti atom diwakili oleh kelompok isotop. Mengenakan biaya Z dalam setiap kelompok isotop adalah konstan, tetapi jumlah neutron berbeda. Ada isotop yang stabil, berumur panjang dan radioaktif. Penyebab ketidakstabilan radioaktif dikaitkan dengan kekurangan atau kelebihan neutron di dalam nukleus.
Ukuran inti secara kondisional ditandai dengan radius R kernel. Jari-jari meningkat dengan jumlah nukleon sesuai dengan rumus , di mana R 0 = (1.3 ..., 1.7) · 10 -15 m Kepadatan "pengemasan" nukleon dalam inti sangat tinggi dan berjumlah ~10 44 nukleon/m 3 atau 10 17 kg/m 3 .
Seperti yang telah dicatat, stabilitas inti dijelaskan oleh adanya interaksi yang kuat atau gaya tarik inti atau gaya tarik menarik. Energi yang diperlukan untuk menjaga nukleon tetap berada di dalam inti, sesuai dengan hukum kekekalan energi, ditentukan oleh kerja yang harus dilakukan untuk memecah inti menjadi nukleon-nukleon penyusunnya. Energi ini disebut energi ikat inti. Energi ikat memanifestasikan dirinya sebagai penurunan massa nukleus selama pembentukannya dibandingkan dengan massa total nukleon yang membentuk nukleus:
Nilai m disebut cacat massa. Energi ikat didefinisikan sebagai
Biasanya, nukleus dicirikan oleh energi ikat spesifik, yaitu energi per nukleon. pada gambar. 5.3 menunjukkan ketergantungan energi ikat spesifik pada nomor massa TETAPI mengkarakterisasi kekuatan ikatan nukleon dalam inti berbagai unsur kimia. Dari grafik berikut, ikatan inti unsur dengan nomor massa (28 ... 138) adalah yang terkuat. Saat Anda meningkat TETAPI energi ikatan berkurang. Penurunan kekuatan inti dijelaskan oleh fakta bahwa pada inti ringan ikatan nukleon tidak jenuh, sedangkan pada inti berat tolakan Coulomb proton dari satu sama lain mulai mempengaruhi.
Dari gambar. 5.3 juga menunjukkan bahwa proses pembentukan inti yang lebih stabil (yaitu, ditandai dengan nilai yang besar) E SW disertai dengan pelepasan energi. Jadi, reaksi fusi inti ringan dengan pembentukan yang lebih berat (panah 1 pada Gambar 5.3) dan reaksi fisi inti berat (panah 2 pada Gambar 5.3) menjanjikan dari sudut pandang energi.
Masalah ini dibahas secara rinci di bagian kedua kursus.
Reaksi nuklir. Radioaktivitas. Reaksi nuklir adalah proses di mana inti beberapa unsur diperoleh dari inti unsur lain. Proses ini dapat terjadi baik sebagai akibat dari pengaruh eksternal (misalnya, "tumbukan inti dengan partikel lain"), dan secara spontan, secara spontan (tumbuh radioaktif).
Reaksi nuklir ditulis seperti reaksi kimia. Misalnya, sebagai hasil dari reaksi fisi inti uranium dalam tumbukan dengan inti neutron, inti sesium dan rubidium dan dua neutron terbentuk:
Iradiasi inti dengan neutron paling sering digunakan untuk melakukan reaksi nuklir. Faktanya adalah bahwa neutron yang netral secara elektrik tidak mengalami tolakan Coulomb dari proton nukleus dan dengan mudah menembus ke dalamnya. Di bawah aksi iradiasi neutron energi tinggi (> 100 MeV), semua inti dibagi.
Neutron yang dilepaskan dalam reaksi peluruhan dapat menyebabkan pembelahan inti lain, yang menyebabkan reaksi berantai terjadi - proses seperti longsoran, misalnya, ledakan bom atom. Sebagian dari neutron dapat dihilangkan dari bahan fisil, kemudian reaksi fisi dapat dikendalikan. Penyerapan neutron dalam batang grafit digunakan dalam reaktor nuklir.
Peluruhan spontan inti dengan emisi berbagai partikel disebut radioaktivitas. Dalam peluruhan radioaktif apa pun, massa inti awal melebihi massa satuan produk yang dipotong, mis. energi dilepaskan. Radioaktivitas alami ditemukan oleh A. Bskkerel (1896), dan buatan - oleh pasangan Joliot-Curie (1936). Jenis utama radioaktivitas adalah peluruhan alfa, beta, dan gamma.
Peluruhan alfa terdiri dari emisi spontan partikel ci oleh nukleus (yaitu nukleus helium). Peluruhan alfa hanya diamati pada inti berat dengan Z 82.
Selama peluruhan beta, inti memancarkan elektron dan elektron antineutrino (atau positron dan elektron neutrino):
Peluruhan beta disebabkan oleh transformasi nukleon yang disebabkan oleh interaksi yang lemah, misalnya, pada reaksi pertama yang direkam, transformasi neutron terjadi sesuai dengan skema
Peluruhan gamma terdiri dari emisi foton berenergi tinggi (γ-quanta) oleh nukleus. Nukleus, sebagai sistem kuantum, dapat berada dalam keadaan dengan energi yang berbeda. Selama transisi dari keadaan energi tereksitasi ke dasar, inti yang tidak tereksitasi memancarkan -kuanta. Dalam hal ini, baik nomor massa A maupun nomor atom inti Z Jangan berubah.
