სიტყვა ატომი ნიშნავს "განუყოფელს". იგი შემოიღეს ბერძენმა ფილოსოფოსებმა იმ უმცირესი ნაწილაკების აღსანიშნავად, საიდანაც, მათი იდეის მიხედვით, შედგება მატერია.

მეცხრამეტე საუკუნის ფიზიკოსებმა და ქიმიკოსებმა მიიღეს ტერმინი მათთვის ცნობილი ყველაზე პატარა ნაწილაკებისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენ უკვე დიდი ხანია შევძელით ატომების „გაყოფა“ და განუყოფელი აღარ იყო განუყოფელი, ეს ტერმინი მაინც შენარჩუნებულია. ჩვენი დღევანდელი იდეის მიხედვით, ატომი შედგება უმცირესი ნაწილაკებისგან, რომლებსაც ჩვენ ვუწოდებთ ელემენტარული ნაწილაკები. ასევე არსებობს სხვა ელემენტარული ნაწილაკები, რომლებიც რეალურად არ არიან ატომების შემადგენელი. ისინი ჩვეულებრივ იწარმოება მძლავრი ციკლოტრონების, სინქროტრონების და სხვა ნაწილაკების ამაჩქარებლების გამოყენებით, რომლებიც სპეციალურად შექმნილია ამ ნაწილაკების შესასწავლად. ისინი ასევე წარმოიქმნება, როდესაც კოსმოსური სხივები ატმოსფეროში გადის. ეს ელემენტარული ნაწილაკები იშლება წამის რამდენიმე მემილიონედში და ხშირად მათი გამოჩენიდან კიდევ უფრო მოკლე დროში. დაშლის შედეგად ისინი ან იცვლებიან, გადაიქცევიან სხვა ელემენტარულ ნაწილაკებად, ან გამოყოფენ ენერგიას გამოსხივების სახით.

ელემენტარული ნაწილაკების შესწავლა ფოკუსირებულია ხანმოკლე ელემენტარული ნაწილაკების მუდმივად მზარდ რაოდენობაზე. მიუხედავად იმისა, რომ ამ პრობლემას დიდი მნიშვნელობა აქვს, განსაკუთრებით იმიტომ, რომ ის დაკავშირებულია ფიზიკის ყველაზე ფუნდამენტურ კანონებთან, მიუხედავად ამისა, ნაწილაკების შესწავლა ამჟამად თითქმის იზოლირებულად მიმდინარეობს ფიზიკის სხვა დარგებისგან. ამ მიზეზით, ჩვენ შემოვიფარგლებით მხოლოდ იმ ნაწილაკების გათვალისწინებით, რომლებიც წარმოადგენენ ყველაზე გავრცელებული მასალების მუდმივ კომპონენტებს, ასევე მათთან ძალიან ახლოს მყოფ ნაწილაკებს. XIX საუკუნის ბოლოს აღმოჩენილი ელემენტარული ნაწილაკებიდან პირველი იყო ელექტრონი, რომელიც შემდეგ გახდა ძალიან სასარგებლო მსახური. რადიო მილებში ელექტრონების ნაკადი მოძრაობს ვაკუუმში; და სწორედ ამ ნაკადის რეგულირებით ხდება შემომავალი რადიოსიგნალების გაძლიერება და გარდაიქმნება ხმად ან ხმაურად. ტელევიზორში ელექტრონული სხივი ემსახურება როგორც კალამი, რომელიც მყისიერად და ზუსტად იმეორებს მიმღების ეკრანზე იმას, რასაც ხედავს გადამცემის კამერა. ორივე შემთხვევაში, ელექტრონები მოძრაობენ ვაკუუმში ისე, რომ, თუ ეს შესაძლებელია, მათ მოძრაობაში არაფერი შეუშლის ხელს. კიდევ ერთი სასარგებლო თვისებაა მათი უნარი, გადის გაზში, გაანათონ იგი. ამგვარად, ელექტრონების გავლის ნებადართული გაზით სავსე შუშის მილში გარკვეული წნევით, ჩვენ ვიყენებთ ამ ფენომენს ნეონის სინათლის გამოსამუშავებლად, რომელიც გამოიყენება ღამით დიდი ქალაქების გასანათებლად. და აქ არის კიდევ ერთი შეხვედრა ელექტრონებთან: ელვა გაბრწყინდა და ათასობით ელექტრონი, რომლებიც არღვევენ ჰაერის სისქეს, ქმნის ჭექა-ქუხილის მოძრავ ხმას.

თუმცა, ხმელეთის პირობებში არის ელექტრონების შედარებით მცირე რაოდენობა, რომლებსაც შეუძლიათ თავისუფლად გადაადგილება, როგორც ვნახეთ წინა მაგალითებში. მათი უმეტესობა საიმედოდ არის შეკრული ატომებში. ვინაიდან ატომის ბირთვი დადებითად არის დამუხტული, ის თავისკენ იზიდავს უარყოფითად დამუხტულ ელექტრონებს, აიძულებს მათ დარჩნენ ბირთვთან შედარებით ახლოს მდებარე ორბიტებში. ატომი ჩვეულებრივ შედგება ბირთვისა და ელექტრონების რაოდენობისგან. თუ ელექტრონი ტოვებს ატომს, ის ჩვეულებრივ დაუყოვნებლივ იცვლება სხვა ელექტრონით, რომელსაც ატომის ბირთვი დიდი ძალით იზიდავს მისი უშუალო გარემოდან.

რას ჰგავს ეს მშვენიერი ელექტრონი? არავის უნახავს და არც არასოდეს ნახავს; და მიუხედავად ამისა, ჩვენ ისე კარგად ვიცით მისი თვისებები, რომ შეგვიძლია ვიწინასწარმეტყველოთ, როგორ მოიქცევა ის ყველაზე მრავალფეროვან სიტუაციებში. ჩვენ ვიცით მისი მასა (მისი „წონა“) და მისი ელექტრული მუხტი. ვიცით, რომ უმეტესად ის ისე იქცევა, თითქოს ძალიან პატარას წინაშე დგას ნაწილაკი, სხვა შემთხვევაში ავლენს თვისებებს ტალღები. ელექტრონის უკიდურესად აბსტრაქტული, მაგრამ ამავე დროს ძალიან ზუსტი თეორია მისი საბოლოო სახით რამდენიმე ათეული წლის წინ წამოაყენა ინგლისელმა ფიზიკოსმა დირაკმა. ეს თეორია გვაძლევს საშუალებას განვსაზღვროთ, რა ვითარებაში იქნება ელექტრონი უფრო მეტად ნაწილაკს და რა ვითარებაში ჭარბობს მისი ტალღური ხასიათი. ეს ორმაგი ბუნება - ნაწილაკი და ტალღა - ართულებს ელექტრონის მკაფიო სურათის მიცემას; ამიტომ, თეორია, რომელიც ითვალისწინებს ორივე ცნებას და მაინც იძლევა ელექტრონის სრულ აღწერას, ძალიან აბსტრაქტული უნდა იყოს. მაგრამ არაგონივრული იქნებოდა ისეთი ღირსშესანიშნავი ფენომენის აღწერის შეზღუდვა, როგორიცაა ელექტრონი, ისეთი მიწიერი გამოსახულებებით, როგორიცაა ბარდა და ტალღები.

დირაკის ელექტრონის თეორიის ერთ-ერთი წინაპირობა იყო ის, რომ უნდა არსებობდეს ელემენტარული ნაწილაკი, რომელსაც აქვს იგივე თვისებები, რაც ელექტრონს, გარდა იმისა, რომ ის დადებითად არის დამუხტული და არა უარყოფითად. მართლაც, ასეთი ელექტრონული ტყუპი აღმოაჩინეს და დაასახელეს პოზიტრონი. ის კოსმოსური სხივების ნაწილია და ასევე ხდება გარკვეული რადიოაქტიური ნივთიერებების დაშლის შედეგად. ხმელეთის პირობებში პოზიტრონის სიცოცხლე ხანმოკლეა. როგორც კი ის ელექტრონის სამეზობლოშია და ეს ხდება ყველა ნივთიერებაში, ელექტრონი და პოზიტრონი ერთმანეთს „ანადგურებენ“; პოზიტრონის დადებითი ელექტრული მუხტი ანეიტრალებს ელექტრონის უარყოფით მუხტს. ვინაიდან ფარდობითობის თეორიის თანახმად, მასა ენერგიის ფორმაა და რადგან ენერგია „ურღვევია“, ელექტრონისა და პოზიტრონის გაერთიანებული მასებით წარმოდგენილი ენერგია როგორმე უნდა იყოს შენახული. ამ ამოცანას ასრულებს ფოტონი (შუქის კვანტი), ან ჩვეულებრივ ორი ​​ფოტონი, რომლებიც გამოიყოფა ამ ფატალური შეჯახების შედეგად; მათი ენერგია ელექტრონისა და პოზიტრონის მთლიანი ენერგიის ტოლია.

ჩვენ ასევე ვიცით, რომ საპირისპირო პროცესიც მიმდინარეობს, ფოტონს შეუძლია, გარკვეულ პირობებში, მაგალითად, ატომის ბირთვთან ახლოს ფრენით, შექმნას ელექტრონი და პოზიტრონი „არაფრისგან“. ასეთი ქმნისთვის მას უნდა ჰქონდეს ენერგია ელექტრონისა და პოზიტრონის მთლიანი მასის შესაბამისი ენერგიის ტოლი მაინც.

ამიტომ ელემენტარული ნაწილაკები არ არიან მარადიული და მუდმივი. ელექტრონებიც და პოზიტრონებიც შეიძლება მოვიდნენ და წავიდნენ; თუმცა, ენერგია და შედეგად მიღებული ელექტრული მუხტები შენარჩუნებულია.

ელექტრონის გარდა, ელემენტარული ნაწილაკი, რომელიც ჩვენთვის ცნობილია ბევრად უფრო ადრე, ვიდრე ნებისმიერი სხვა ნაწილაკი, არ არის პოზიტრონი, რომელიც შედარებით იშვიათია, მაგრამ პროტონიარის წყალბადის ატომის ბირთვი. პოზიტრონის მსგავსად, ის დადებითად არის დამუხტული, მაგრამ მისი მასა დაახლოებით ორ ათასჯერ აღემატება პოზიტრონის ან ელექტრონის მასას. ამ ნაწილაკების მსგავსად, პროტონი ზოგჯერ ავლენს ტალღურ თვისებებს, მაგრამ მხოლოდ განსაკუთრებულ პირობებში. ის, რომ მისი ტალღური ბუნება ნაკლებად გამოხატულია, სინამდვილეში მისი გაცილებით დიდი მასის პირდაპირი შედეგია. ტალღურ ბუნებას, რომელიც დამახასიათებელია ყველა მატერიისთვის, ჩვენთვის დიდი მნიშვნელობა არ ენიჭება მანამ, სანამ არ დავიწყებთ მუშაობას განსაკუთრებულად მსუბუქ ნაწილაკებთან, როგორიცაა ელექტრონები.

პროტონი ძალიან გავრცელებული ნაწილაკია, წყალბადის ატომი შედგება პროტონისაგან, რომელიც მისი ბირთვია და ელექტრონისაგან, რომელიც ბრუნავს მის გარშემო. პროტონი ასევე არის ყველა სხვა ატომის ბირთვის ნაწილი.

თეორიულმა ფიზიკოსებმა იწინასწარმეტყველეს, რომ პროტონს, ისევე როგორც ელექტრონს, აქვს ანტინაწილაკი. გახსნა უარყოფითი პროტონიან ანტიპროტონი, რომელსაც აქვს იგივე თვისებები, რაც პროტონს, მაგრამ უარყოფითად დამუხტულია, დაადასტურა ეს წინასწარმეტყველება. ანტიპროტონის პროტონთან შეჯახება მათ ორივეს ისევე „ანადგურებს“, როგორც ელექტრონისა და პოზიტრონის შეჯახებისას.

კიდევ ერთი ელემენტარული ნაწილაკი ნეიტრონი, აქვს თითქმის იგივე მასა, რაც პროტონს, მაგრამ ელექტრული ნეიტრალურია (ელექტრული მუხტი საერთოდ არ არის). მისი აღმოჩენა ჩვენი საუკუნის ოცდაათიან წლებში - დაახლოებით პოზიტრონის აღმოჩენასთან ერთად - უაღრესად მნიშვნელოვანი იყო ბირთვული ფიზიკისთვის. ნეიტრონი ყველა ატომის ბირთვის ნაწილია (რა თქმა უნდა, წყალბადის ატომის ჩვეულებრივი ბირთვის გამოკლებით, რომელიც უბრალოდ თავისუფალი პროტონია); როდესაც ატომის ბირთვი იშლება, ის ათავისუფლებს ერთ (ან მეტ) ნეიტრონს. ატომური ბომბის აფეთქება ხდება ურანის ან პლუტონიუმის ბირთვებიდან გამოთავისუფლებული ნეიტრონების გამო.

ვინაიდან პროტონები და ნეიტრონები ერთად ქმნიან ატომურ ბირთვებს და ორივეს ნუკლეონს უწოდებენ, გარკვეული დროის შემდეგ თავისუფალი ნეიტრონი იქცევა პროტონად და ელექტრონად.

ჩვენ ვიცნობთ კიდევ ერთ ნაწილაკს ე.წ ანტინეიტრონი, რომელიც ნეიტრონის მსგავსად ელექტრული ნეიტრალურია. მას აქვს ნეიტრონის მრავალი თვისება, მაგრამ ერთ-ერთი ფუნდამენტური განსხვავება ისაა, რომ ანტინეიტრონი იშლება ანტიპროტონად და ელექტრონად. შეჯახება, ნეიტრონი და ანტინეიტრონი ანადგურებენ ერთმანეთს,

ფოტონი, ანუ მსუბუქი კვანტური, უაღრესად საინტერესო ელემენტარული ნაწილაკი. წიგნის წაკითხვის სურვილით, ნათურას ვანთებთ. ასე რომ, ჩართული ნათურა წარმოქმნის უზარმაზარ რაოდენობას ფოტონებს, რომლებიც სინათლის სიჩქარით მიდიან წიგნში, ისევე როგორც ოთახის ყველა სხვა კუთხეში. ზოგიერთი მათგანი, კედელს ეჯახება, მაშინვე იღუპება, სხვები ისევ და ისევ ეჯახება სხვა საგნების კედლებს, მაგრამ გამოჩენის მომენტიდან წამის მემილიონედზე ნაკლების შემდეგ, ისინი ყველა იღუპება, რამდენიმეს გამოკლებით. რომლებიც ახერხებენ ფანჯრიდან გაქცევას და სივრცეში გაცურვას. ფოტონების წარმოქმნისთვის საჭირო ენერგიას მიეწოდება ელექტრონები, რომლებიც მიედინება ნათურაში, რომელიც ჩართულია; კვდება, ფოტონები აძლევენ ამ ენერგიას წიგნს ან სხვა საგანს, ათბობენ მას ან თვალს, რაც იწვევს მხედველობის ნერვების სტიმულაციას.

ფოტონის ენერგია და, შესაბამისად, მისი მასა უცვლელი არ რჩება: არის ძალიან მსუბუქი ფოტონები ძალიან მძიმეებთან ერთად. ფოტონები, რომლებიც წარმოქმნიან ჩვეულებრივ შუქს, ძალიან მსუბუქია, მათი მასა ელექტრონის მასის მხოლოდ რამდენიმე მემილიონედია. სხვა ფოტონებს აქვთ დაახლოებით ისეთივე მასა, როგორიც ელექტრონის მასას, და კიდევ ბევრად მეტი. მძიმე ფოტონების მაგალითებია რენტგენი და გამა სხივები.

აქ არის ზოგადი წესი: რაც უფრო მსუბუქია ელემენტარული ნაწილაკი, მით უფრო გამოხატულია მისი ტალღური ბუნება. უმძიმესი ელემენტარული ნაწილაკები - პროტონები - ავლენენ შედარებით სუსტ ტალღურ მახასიათებლებს; ისინი გარკვეულწილად უფრო ძლიერია ელექტრონებისთვის; ყველაზე ძლიერია ფოტონები. მართლაც, სინათლის ტალღური ბუნება აღმოაჩინეს ბევრად უფრო ადრე, ვიდრე მისი კორპუსკულური მახასიათებლები. ჩვენ ვიცით, რომ სინათლე სხვა არაფერია თუ არა ელექტრომაგნიტური ტალღების მოძრაობა მას შემდეგ, რაც მაქსველმა აჩვენა ის გასული საუკუნის მეორე ნახევრის განმავლობაში, მაგრამ პლანკმა და აინშტაინმა მეოცე საუკუნის გარიჟრაჟზე აღმოაჩინეს, რომ სინათლეს ასევე აქვს კორპუსკულური მახასიათებლები. ის ხანდახან გამოსცემდა ცალკეული „კვანტების“, ან სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ფოტონების ნაკადის სახით. არ შეიძლება უარვყოთ, რომ ძნელია გაერთიანება და შერწყმა ჩვენს გონებაში ამ ორი აშკარად განსხვავებული წარმოდგენების სინათლის ბუნების შესახებ; მაგრამ შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ელექტრონის „ორმაგი ბუნების“ მსგავსად, ჩვენი წარმოდგენა ისეთი გაუგებარი ფენომენის შესახებ, როგორიცაა სინათლე, ძალიან აბსტრაქტული უნდა იყოს. და მხოლოდ მაშინ, როდესაც გვინდა გამოვხატოთ ჩვენი იდეა უხეში სიტყვებით, ზოგჯერ სინათლე უნდა შევადაროთ ნაწილაკების, ფოტონების ან ელექტრომაგნიტური ხასიათის ტალღურ მოძრაობას.

არსებობს კავშირი ფენომენის კორპუსკულურ ბუნებასა და მის „ტალღურ“ თვისებებს შორის. რაც უფრო მძიმეა ნაწილაკი, მით უფრო მოკლეა მისი შესაბამისი ტალღის სიგრძე; რაც უფრო გრძელია ტალღის სიგრძე, მით უფრო მსუბუქია შესაბამისი ნაწილაკი. რენტგენის სხივებს, რომლებიც შედგება ძალიან მძიმე ფოტონებისაგან, აქვთ, შესაბამისად, ძალიან მოკლე ტალღის სიგრძე. წითელი შუქი, რომელსაც ლურჯ შუქზე უფრო გრძელი ტალღის სიგრძე აქვს, შედგება უფრო მსუბუქი ფოტონებისაგან, ვიდრე ლურჯი სინათლის ფოტონები. ყველაზე გრძელი ელექტრომაგნიტური ტალღები - რადიოტალღები - შედგება პატარა ფოტონებისაგან. ეს ტალღები ოდნავადაც არ ავლენენ ნაწილაკების თვისებებს, მათი ტალღური ბუნება მთლიანად დომინანტური მახასიათებელია.

და ბოლოს, ყველაზე პატარა ელემენტარული ნაწილაკებია ნეიტრინო. ის მოკლებულია ელექტრული მუხტს და თუ მას აქვს რაიმე მასა, მაშინ ის ახლოს არის ნულთან. გარკვეული გაზვიადებით შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ნეიტრინო უბრალოდ მოკლებულია თვისებებს.

ჩვენი ცოდნა ელემენტარული ნაწილაკების შესახებ არის ფიზიკის თანამედროვე საზღვარი. ატომი აღმოაჩინეს მეცხრამეტე საუკუნეში და იმდროინდელმა მეცნიერებმა აღმოაჩინეს სხვადასხვა სახის ატომების მზარდი რაოდენობა; ანალოგიურად დღეს ჩვენ ვპოულობთ სულ უფრო მეტ ელემენტარულ ნაწილაკებს. და მიუხედავად იმისა, რომ დადასტურდა, რომ ატომები შედგება ელემენტარული ნაწილაკებისგან, ჩვენ არ შეგვიძლია ველოდოთ, რომ ანალოგიით აღმოჩნდება, რომ ელემენტარული ნაწილაკები შედგება კიდევ უფრო მცირე ნაწილაკებისგან. პრობლემა, რომელსაც დღეს ვაწყდებით, ძალიან განსხვავებულია და არ არსებობს ოდნავი ნიშანი იმისა, რომ ელემენტარული ნაწილაკების გაყოფა შეგვიძლია. პირიქით, იმედი უნდა გვქონდეს, რომ ნაჩვენები იქნება, რომ ყველა ელემენტარული ნაწილაკი არის კიდევ ერთი ფუნდამენტური ფენომენის გამოვლინება. და ამის დადგენა რომ შესაძლებელი ყოფილიყო, ჩვენ შევძლებდით ელემენტარული ნაწილაკების ყველა თვისების გაგებას; შეეძლოთ გამოთვალოთ მათი მასები და როგორ ურთიერთქმედებენ ისინი. არაერთი მცდელობა გაკეთდა ამ პრობლემის გადაწყვეტისთვის, რომელიც ფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი პრობლემაა.

ელემენტარული ნაწილაკები არის ნაწილაკები, რომლებსაც ჯერ კიდევ არ აქვთ ნაპოვნი შიდა სტრუქტურა. გასულ საუკუნეშიც კი ატომები ელემენტარულ ნაწილაკებად ითვლებოდა. მათი შინაგანი სტრუქტურა - ბირთვები და ელექტრონები - აღმოაჩინეს მე-20 საუკუნის დასაწყისში. ე.რეზერფორდის ექსპერიმენტებში. ატომების ზომა დაახლოებით 10-8 სმ-ია, ბირთვები ათობით ათასი ჯერ უფრო მცირეა, ხოლო ელექტრონების ზომა ძალიან მცირეა. ის 10 -16 სმ-ზე ნაკლებია, როგორც ამას თანამედროვე თეორიები და ექსპერიმენტები მოჰყვება.

ამრიგად, ახლა ელექტრონი არის ელემენტარული ნაწილაკი. რაც შეეხება ბირთვებს, მათი შინაგანი სტრუქტურა აღმოჩენიდან მალევე გამოვლინდა. ისინი შედგება ნუკლეონებისგან - პროტონებისა და ნეიტრონებისგან. ბირთვები საკმაოდ მკვრივია: საშუალო მანძილი ნუკლეონებს შორის მხოლოდ რამდენიმეჯერ აღემატება მათ ზომას. იმის გასარკვევად, თუ რისგან შედგება ნუკლეონები, დასჭირდა დაახლოებით ნახევარი საუკუნე, თუმცა, ამავე დროს, ბუნების სხვა საიდუმლოებები გამოჩნდა და ამოიხსნა.

ნუკლეონები შედგება სამი კვარკისგან, რომლებიც ელემენტარულია ისეთივე სიზუსტით, როგორც ელექტრონი, ანუ მათი რადიუსი 10 -16 სმ-ზე ნაკლებია, ნუკლეონების რადიუსი - კვარკების მიერ დაკავებული ფართობის ზომა - დაახლოებით 10 -13 სმ. ნაწილაკები - ბარიონები, რომლებიც შედგება სამი განსხვავებული (ან იდენტური) კვარკისაგან. კვარკებს შეუძლიათ შექმნან სამეული სხვადასხვა გზით და ეს განსაზღვრავს განსხვავებას ბარიონის თვისებებში, მაგალითად, მას შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებული სპინი.

გარდა ამისა, კვარკები შეიძლება გაერთიანდნენ წყვილებად - მეზონებად, რომლებიც შედგება კვარკისა და ანტიკვარკისგან. მეზონების სპინი იღებს მთელ მნიშვნელობებს, ხოლო ბარიონებისთვის ნახევარ მთელ რიცხვს. ბარიონებსა და მეზონებს ერთად ჰადრონები ეწოდება.

კვარკები თავისუფალი სახით არ იქნა ნაპოვნი და ამჟამად მიღებული ცნებების მიხედვით, ისინი შეიძლება არსებობდნენ მხოლოდ ჰადრონების სახით. კვარკების აღმოჩენამდე ჰადრონები გარკვეული პერიოდის განმავლობაში ელემენტარულ ნაწილაკებად ითვლებოდა (და ეს სახელი ჯერ კიდევ საკმაოდ გავრცელებულია ლიტერატურაში).

ჰადრონების კომპოზიტური სტრუქტურის პირველი ექსპერიმენტული მითითება იყო ექსპერიმენტები პროტონების მიერ ელექტრონების გაფანტვაზე სტენფორდის (აშშ) ხაზოვან ამაჩქარებელზე, რაც შეიძლება აიხსნას მხოლოდ პროტონის შიგნით რაღაც წერტილის ობიექტების არსებობის დაშვებით.

მალე გაირკვა, რომ ეს იყო კვარკები, რომელთა არსებობას თეორეტიკოსები კიდევ უფრო ადრე ვარაუდობდნენ.

აქ მოცემულია თანამედროვე ელემენტარული ნაწილაკების ცხრილი. გარდა ექვსი ტიპის კვარკებისა (ჯერჯერობით მხოლოდ ხუთი გამოჩნდა ექსპერიმენტებში, მაგრამ თეორეტიკოსები ვარაუდობენ, რომ არის მეექვსეც), ამ ცხრილში მოცემულია ლეპტონები - ნაწილაკები, რომლებსაც ელექტრონიც ეკუთვნის. ამ ოჯახში ასევე აღმოაჩინეს მიონი და (სულ ცოტა ხნის წინ) ტ-ლეპტონი. თითოეულ მათგანს აქვს საკუთარი ნეიტრინო, ამიტომ ლეპტონები ბუნებრივად იყოფა სამ წყვილად e, n e; მ, ნ მ ;ტ, ნ ტ.

თითოეული ეს წყვილი აერთიანებს კვარკების შესაბამის წყვილს ოთხჯერ, რომელსაც თაობა ეწოდება. ნაწილაკების თვისებები მეორდება თაობიდან თაობამდე, როგორც ეს ცხრილიდან ჩანს. მხოლოდ მასები განსხვავდებიან. მეორე თაობა პირველზე მძიმეა, ხოლო მესამე თაობა მეორეზე მძიმეა.

ბუნებაში, ძირითადად, პირველი თაობის ნაწილაკები გვხვდება, დანარჩენი კი ხელოვნურად იქმნება დამუხტულ ნაწილაკების ამაჩქარებლებზე ან ატმოსფეროში კოსმოსური სხივების ურთიერთქმედების დროს.

გარდა სპინი 1/2 კვარკებისა და ლეპტონებისა, რომლებსაც ერთობლივად უწოდებენ მატერიის ნაწილაკებს, ცხრილში მოცემულია ნაწილაკები სპინით 1. ეს არის მატერიის ნაწილაკების მიერ შექმნილი ველების კვანტები. მათგან ყველაზე ცნობილი ნაწილაკი არის ფოტონი, ელექტრომაგნიტური ველის კვანტი.

შუალედური ბოზონები ე.წ ვ+ და ვ- , რომლებსაც აქვთ ძალიან დიდი მასები, ახლახან აღმოაჩინეს კონტრზე ჩატარებული ექსპერიმენტებით რ- სხივები რამდენიმე ასეული გევ ენერგიით. ეს არის სუსტი ურთიერთქმედების მატარებლები კვარკებსა და ლეპტონებს შორის. და ბოლოს, გლუონები არიან კვარკებს შორის ძლიერი ურთიერთქმედების მატარებლები. თავად კვარკების მსგავსად, გლუონებიც არ არის ნაპოვნი თავისუფალი სახით, მაგრამ ჩნდებიან ჰადრონების შექმნისა და განადგურების რეაქციების შუალედურ ეტაპებზე. ახლახან აღმოჩენილია გლუონების მიერ წარმოქმნილი ჰადრონის ჭავლები. ვინაიდან კვარკების და გლუონების თეორიის ყველა პროგნოზი - კვანტური ქრომოდინამიკა - ეთანხმება გამოცდილებას, გლუონების არსებობაში თითქმის არ არსებობს ეჭვი.

ნაწილაკი სპინი 2-ით არის გრავიტონი. მისი არსებობა მომდინარეობს აინშტაინის გრავიტაციის თეორიიდან, კვანტური მექანიკის პრინციპებიდან და ფარდობითობის თეორიიდან. ძალიან რთული იქნება გრავიტონის ექსპერიმენტულად აღმოჩენა, რადგან ის ძალიან სუსტად ურთიერთქმედებს მატერიასთან.

და ბოლოს, კითხვის ნიშნით ცხრილი აჩვენებს ნაწილაკებს სპინით 0 (H-მეზონები) და 3/2 (გრავიტინოები); ისინი არ იქნა ნაპოვნი ექსპერიმენტულად, მაგრამ მათი არსებობა ვარაუდობენ ბევრ თანამედროვე თეორიულ მოდელში.

ელემენტარული ნაწილაკები

დატრიალება	0?	1/2				1				3/2	2?
სათაური	ჰიგსის ნაწილაკები	მატერიის ნაწილაკები				ველის კვანტები
		კვარკები		ლეპტონები		ფოტონი	ვექტორული ბოზონები		გლუონი	გრავიტინო	გრავიტონი
სიმბოლო	ჰ	u	დ	ნე	ე	გ	ზ	ვ	გ
(წონა)	(?)	(?)	(0,5)	(0)	(~ 95 გევ)	(~ 80 გევ)	(?)	(?)
სიმბოლო	თან	ს	ნ მ	მ
(წონა)	(0?)	(106)
სიმბოლო	ტ	ბ	ნ ტ	ტ
(წონა)	(0?)	(1784)
ბარიონის მუხტი	0	1/3	1/3	0	0	0	0	0	0	0	0
Ელექტრული მუხტი	0,±1	2/3	1/3	0	-1	0	0	±1	0	0	0
ფერი	-	3	3	-	-	-	-	-	8	-	-

ადრონები - ნაწილაკების ზოგადი სახელწოდება, რომლებიც მონაწილეობენ ძლიერ ურთიერთქმედებებში . სახელი მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან, რაც ნიშნავს "ძლიერს, დიდს". ყველა ჰადრონები იყოფა ორ დიდ ჯგუფად - მეზონებად და ბარიონებად.

ბარიონები(ბერძნული სიტყვიდან, რაც ნიშნავს "მძიმეს") არის ჰადრონები ნახევრად მთელი რიცხვის სპინით . ყველაზე ცნობილი ბარიონებია პროტონი და ნეიტრონი . ბარიონები ასევე შეიცავს უამრავ ნაწილაკს კვანტური რიცხვით, რომელსაც ერთხელ ეძახდნენ უცნაურობა. უცნაურობის ერთეულს ფლობს ლამბდა ბარიონი (L°) და სიგმა ბარიონების ოჯახი (S - , S+ და S°). ინდექსები +, -, 0 მიუთითებს ელექტრული მუხტის ან ნაწილაკების ნეიტრალიტეტის ნიშანს. ბარიონებს xy (X - და X°) აქვთ უცნაურობის ორი ერთეული. Baryon W - აქვს უცნაურობა სამის ტოლი. ჩამოთვლილი ბარიონების მასები დაახლოებით ერთნახევარჯერ აღემატება პროტონის მასას და მათი დამახასიათებელი სიცოცხლის ხანგრძლივობა დაახლოებით 10-10 წმ. შეგახსენებთ, რომ პროტონი პრაქტიკულად სტაბილურია, ხოლო ნეიტრონი 15 წუთზე მეტხანს ცხოვრობს. როგორც ჩანს, მძიმე ბარიონები ძალიან ხანმოკლეა, მაგრამ მიკროკოსმოსის მასშტაბით, ეს ასე არ არის. ასეთი ნაწილაკი, თუნდაც შედარებით ნელა მოძრაობს, სიჩქარით, რომელიც უდრის, ვთქვათ, სინათლის სიჩქარის 10%-ს, ახერხებს რამდენიმე მილიმეტრიანი მანძილის გავლას და ელემენტარული ნაწილაკების დეტექტორში კვალის დატოვებას. ბარიონის ერთ-ერთი თვისება, რომელიც განასხვავებს მათ სხვა ტიპის ნაწილაკებისგან, შეიძლება ჩაითვალოს შენახული ბარიონის მუხტის არსებობა. ეს მნიშვნელობა დაინერგა ბარიონებისა და ანტიბარიონების რაოდენობას შორის სხვაობის ყველა ცნობილ პროცესში მუდმივობის ექსპერიმენტული ფაქტის აღსაწერად.

პროტონი- სტაბილური ნაწილაკი ჰადრონების კლასიდან, წყალბადის ატომის ბირთვი. ძნელი სათქმელია, რა მოვლენად უნდა ჩაითვალოს პროტონის აღმოჩენა: ბოლოს და ბოლოს, როგორც წყალბადის იონი, ის დიდი ხანია ცნობილია. ატომის პლანეტარული მოდელის შექმნა ე. რეზერფორდის მიერ (1911) და იზოტოპების აღმოჩენა (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) და წყალბადის ბირთვებზე დაკვირვება ალფა-დან. აზოტის ბირთვების ნაწილაკებმა როლი ითამაშეს პროტონის აღმოჩენაში (E. Rutherford, 1919). 1925 წელს პ. ბლეკეტმა მიიღო ღრუბლის კამერაში პროტონის კვალის პირველი ფოტოები (იხ. ბირთვული გამოსხივების დეტექტორები), რომლებიც ადასტურებენ ელემენტების ხელოვნური ტრანსფორმაციის აღმოჩენას. ამ ექსპერიმენტებში ა-ნაწილაკი დაიჭირა აზოტის ბირთვმა, რომელიც ასხივებდა პროტონს და გადაიქცა ჟანგბადის იზოტოპად.

პროტონები ნეიტრონებთან ერთად ქმნიან ყველა ქიმიური ელემენტის ატომურ ბირთვს, ხოლო ბირთვში პროტონების რაოდენობა განსაზღვრავს მოცემული ელემენტის ატომურ რაოდენობას. პროტონს აქვს დადებითი ელექტრული მუხტი ელემენტარული მუხტის ტოლი, ანუ ელექტრონის მუხტის აბსოლუტური მნიშვნელობა. ეს დადასტურდა ექსპერიმენტულად 10-21 სიზუსტით. პროტონული მასა მ p \u003d (938.2796 ± 0.0027) MeV ან ~ 1.6-10 -24 გ, ანუ პროტონი 1836-ჯერ უფრო მძიმეა ვიდრე ელექტრონი! თანამედროვე თვალსაზრისით, პროტონი არ არის ჭეშმარიტი ელემენტარული ნაწილაკი: ის შედგება ორისაგან u-კვარკები ელექტრული მუხტით +2/3 (ელემენტარული მუხტის ერთეულებში) და ერთი დ-კვარკი ელექტრული მუხტით -1/3. კვარკები ურთიერთდაკავშირებულია სხვა ჰიპოთეტური ნაწილაკების - გლუონების, ველის კვანტების გაცვლით, რომელიც ახორციელებს ძლიერ ურთიერთქმედებას. ექსპერიმენტული მონაცემები, რომლებშიც განიხილებოდა პროტონების მიერ ელექტრონების გაფანტვის პროცესები, მართლაც მოწმობს პროტონების შიგნით წერტილოვანი გაფანტვის ცენტრების არსებობას. ეს ექსპერიმენტები გარკვეულწილად ძალიან ჰგავს რეზერფორდის ექსპერიმენტებს, რამაც გამოიწვია ატომის ბირთვის აღმოჩენა. როგორც შედგენილ ნაწილაკს, პროტონს აქვს სასრული ზომა ~ 10-13 სმ, თუმცა, რა თქმა უნდა, ის არ შეიძლება იყოს წარმოდგენილი როგორც მყარი ბურთი. პირიქით, პროტონი ჰგავს ღრუბელს ბუნდოვანი საზღვრით, რომელიც შედგება წარმოქმნილი და განადგურებული ვირტუალური ნაწილაკებისგან.

პროტონი, ისევე როგორც ყველა ჰადრონი, მონაწილეობს თითოეულ ფუნდამენტურ ურთიერთქმედებაში. Ისე. ძლიერი ურთიერთქმედება აკავშირებს პროტონებსა და ნეიტრონებს ბირთვებში, ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებები - პროტონები და ელექტრონები ატომებში. სუსტი ურთიერთქმედების მაგალითებია ნეიტრონის ბეტა დაშლა ან პროტონის ინტრაბირთვული ტრანსფორმაცია ნეიტრონად პოზიტრონისა და ნეიტრინოს გამოსხივებით (თავისუფალი პროტონისთვის ასეთი პროცესი შეუძლებელია კონსერვაციისა და გარდაქმნის კანონის გამო. ენერგია, ვინაიდან ნეიტრონს ოდნავ უფრო დიდი მასა აქვს). პროტონის სპინი არის 1/2. ნახევარმთლიანი სპინის მქონე ჰადრონებს ბარიონები ეწოდება (ბერძნული სიტყვიდან "მძიმე"). ბარიონებში შედის პროტონი, ნეიტრონი, სხვადასხვა ჰიპერონები (L, S, X, W) და ახალი კვანტური რიცხვების მქონე ნაწილაკები, რომელთა უმეტესობა ჯერ კიდევ არ არის აღმოჩენილი. ბარიონების დასახასიათებლად შემოიღეს სპეციალური რიცხვი - ბარიონის მუხტი, რომელიც უდრის 1-ს ბარიონებისთვის, - 1 - ანტიბარიონებისთვის და O - ყველა სხვა ნაწილაკებისთვის. ბარიონის მუხტი არ არის ბარიონის ველის წყარო; იგი შემოიღეს მხოლოდ ნაწილაკებთან რეაქციებში დაფიქსირებული კანონზომიერებების აღსაწერად. ეს კანონზომიერებები გამოიხატება ბარიონის მუხტის შენარჩუნების კანონის სახით: სისტემაში ბარიონებისა და ანტიბარიონების რაოდენობას შორის განსხვავება შენარჩუნებულია ნებისმიერ რეაქციაში. ბარიონის მუხტის კონსერვაცია შეუძლებელს ხდის პროტონის დაშლას, რადგან ის ბარიონებიდან ყველაზე მსუბუქია. ეს კანონი ემპირიული ხასიათისაა და, რა თქმა უნდა, ექსპერიმენტულად უნდა შემოწმდეს. ბარიონის მუხტის შენარჩუნების კანონის სიზუსტე ხასიათდება პროტონის მდგრადობით, რომლის სიცოცხლის ხანგრძლივობის ექსპერიმენტული შეფასება იძლევა მინიმუმ 1032 წლის მნიშვნელობას.

ELEMENTARY PARTICLES- პირველადი, შემდგომი განუყოფელი ნაწილაკები, რომელთაგანაც ითვლება, რომ შედგება მთელი მატერია. თანამედროვე ფიზიკაში ტერმინი „ელემენტარული ნაწილაკები“ ჩვეულებრივ გამოიყენება მატერიის უმცირესი ნაწილაკების დიდ ჯგუფზე, რომლებიც არ არიან ატომები (იხ. ატომი) ან ატომის ბირთვები (იხ. ატომის ბირთვი); გამონაკლისი არის წყალბადის ატომის ბირთვი - პროტონი.

მე-20 საუკუნის 80-იანი წლებისთვის მეცნიერებისთვის ცნობილი იყო 500-ზე მეტი ელემენტარული ნაწილაკი, რომელთა უმეტესობა არასტაბილურია. ელემენტარულ ნაწილაკებს მიეკუთვნება პროტონი (p), ნეიტრონი (n), ელექტრონი (e), ფოტონი (γ), პი-მეზონები (π), მიონები (μ), მძიმე ლეპტონები (τ +, τ -), სამი ტიპის ნეიტრინოები - ელექტრონული (V e), მიონი (V μ) და ასოცირდება ეგრეთ წოდებულ მძიმე დეპტონთან (V τ), ასევე "უცნაურ" ნაწილაკებთან (K-მეზონები და ჰიპერონები), სხვადასხვა რეზონანსები, მეზონები ფარული ხიბლით, "მოხიბლული. " ნაწილაკები, უფსილონის ნაწილაკები (Υ), "ლამაზი" ნაწილაკები, შუალედური ვექტორული ბოზონები და ა.შ. გამოჩნდა ფიზიკის დამოუკიდებელი ფილიალი - ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკა.

ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკის ისტორია დაიწყო 1897 წელს, როდესაც ჯ.ჯ. ტომსონმა აღმოაჩინა ელექტრონი (იხ. ელექტრონული გამოსხივება); 1911 წელს რ. მილიკანმა გაზომა მისი ელექტრული მუხტის სიდიდე. ცნება „ფოტონი“ - სინათლის კვანტი - პლანკმა (მ. პლანკი) შემოიღო 1900 წელს. ფოტონის არსებობის პირდაპირი ექსპერიმენტული მტკიცებულება მიიღეს მილიკანმა (1912-1915) და კომპტონმა (A. H. Compton, 1922). ატომის ბირთვის შესწავლის პროცესში ე.რეზერფორდმა აღმოაჩინა პროტონი (იხ. პროტონული გამოსხივება), ხოლო 1932 წელს ჩადვიკი (ჯ. ჩადვიკი) - ნეიტრონი (იხ. ნეიტრონული გამოსხივება). 1953 წელს ექსპერიმენტულად დადასტურდა ნეიტრინოს არსებობა, რომელიც ვ. პაულიმ იწინასწარმეტყველა ჯერ კიდევ 1930 წელს.

ელემენტარული ნაწილაკები იყოფა სამ ჯგუფად. პირველი წარმოდგენილია ერთი ელემენტარული ნაწილაკით - ფოტონი, γ-კვანტი ან ელექტრომაგნიტური გამოსხივების კვანტი. მეორე ჯგუფი არის ლეპტონები (ბერძნული leptos პატარა, მსუბუქი), მონაწილეობენ, გარდა ელექტრომაგნიტურისა, ასევე სუსტ ურთიერთქმედებებში. ცნობილია ექვსი ლეპტონი: ელექტრონი და ელექტრონული ნეიტრინო, მუონი და მუონური ნეიტრინო, მძიმე τ-ლეპტონი და შესაბამისი ნეიტრინო. მესამე - ელემენტარული ნაწილაკების ძირითადი ჯგუფია ჰადრონები (ბერძნ. hadros დიდი, ძლიერი), რომლებიც მონაწილეობენ ყველა სახის ურთიერთქმედებაში, მათ შორის ძლიერ ურთიერთქმედებებში (იხ. ქვემოთ). ჰადრონებს მიეკუთვნება ორი ტიპის ნაწილაკები: ბარიონები (ბერძნული barys მძიმე) - ნაწილაკები ნახევარმთლიანი სპინით და პროტონის მასაზე არანაკლებ მასით, და მეზონები (ბერძნული mesos საშუალო) - ნაწილაკები ნულოვანი ან მთელი რიცხვის სპინით (იხ. ელექტრონი. პარამაგნიტური რეზონანსი). ბარიონებში შედის პროტონი და ნეიტრონი, ჰიპერონები, რეზონანსების ნაწილი და "მოჯადოებული" ნაწილაკები და ზოგიერთი სხვა ელემენტარული ნაწილაკი. ერთადერთი სტაბილური ბარიონი არის პროტონი, დანარჩენი ბარიონები არასტაბილურია (თავისუფალ მდგომარეობაში ნეიტრონი არის არასტაბილური ნაწილაკი, მაგრამ შეკრულ მდგომარეობაში სტაბილური ატომის ბირთვებში ის სტაბილურია. მეზონებმა სახელი მიიღეს პირველის მასების გამო. აღმოჩენილ მეზონებს - პი-მეზონს და კ-მეზონს - ჰქონდათ შუალედური მნიშვნელობები პროტონისა და ელექტრონის მასებს შორის. მოგვიანებით აღმოაჩინეს მეზონები, რომელთა მასა აღემატება პროტონის მასას. ჰადრონებს ასევე ახასიათებთ. უცნაურობა (S) - ნულოვანი, დადებითი ან უარყოფითი კვანტური რიცხვი. ნულოვანი უცნაურობის მქონე ჰადრონებს ჩვეულებრივ უწოდებენ, ხოლო S ≠ 0 - უცნაურს გ. ცვაიგმა და მ. გელ-მანმა დამოუკიდებლად შემოგვთავაზეს ჰადრონების კვარკული სტრუქტურა 1964 წელს. შედეგები არაერთი ექსპერიმენტი მიუთითებს, რომ კვარკები არის ჰადრონების შიგნით არსებული მატერიალური წარმონაქმნები, აქვთ არაერთი უჩვეულო თვისება, მაგალითად, წილადი ელექტრული მუხტი და ა.შ. თავისუფალ მდგომარეობაში კვარკები არ შეინიშნება. თუ არა. ითვლება, რომ ყველა ჰადრონები წარმოიქმნება კვარკების სხვადასხვა კომბინაციების გამო.

თავდაპირველად, ელემენტარული ნაწილაკები გამოიკვლიეს რადიოაქტიური დაშლის (იხ. რადიოაქტიურობა) და კოსმოსური გამოსხივების (იხ.) შესწავლისას. თუმცა, XX საუკუნის 50-იანი წლებიდან მოყოლებული, ელემენტარული ნაწილაკების კვლევა ჩატარდა დამუხტულ ნაწილაკების ამაჩქარებლებზე (იხ.), რომლებშიც აჩქარებული ნაწილაკები ბომბავს სამიზნეს ან ეჯახება ნაწილაკებს, რომლებიც მიფრინავენ. ამ შემთხვევაში ნაწილაკები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, რის შედეგადაც ხდება მათი ურთიერთტრანსფორმაცია. ასე აღმოაჩინეს ელემენტარული ნაწილაკების უმრავლესობა.

თითოეული ელემენტარული ნაწილაკი, მისი თანდაყოლილი ურთიერთქმედების სპეციფიკასთან ერთად, აღწერილია გარკვეული ფიზიკური რაოდენობების დისკრეტული მნიშვნელობების კომპლექტით, რომლებიც გამოხატულია მთელი ან წილადი რიცხვებით (კვანტური რიცხვები). ყველა ელემენტარული ნაწილაკების საერთო მახასიათებლებია მასა (მ), სიცოცხლის ხანგრძლივობა (t), სპინი (J) - ელემენტარული ნაწილაკების იმპულსის სათანადო მომენტი, რომელსაც აქვს კვანტური ბუნება და არ არის დაკავშირებული ნაწილაკების მოძრაობასთან მთლიანობაში. , ელექტრული მუხტი (Ω) და მაგნიტური მომენტი (μ). შესწავლილი ელემენტარული ნაწილაკების ელექტრული მუხტები აბსოლუტური მნიშვნელობით არის ელექტრონის მუხტის მთელი რიცხვი (e≈1,6*10 -10 k). ცნობილ ელემენტარულ ნაწილაკებს აქვთ ელექტრული მუხტი ტოლი 0, ±1 და ±2.

ყველა ელემენტარულ ნაწილაკს აქვს შესაბამისი ანტინაწილაკები, რომელთა მასა და სპინი ტოლია ნაწილაკის მასისა და სპინის, ხოლო ელექტრული მუხტი, მაგნიტური მომენტი და სხვა მახასიათებლები ტოლია აბსოლუტური მნიშვნელობით და საპირისპირო ნიშნით. მაგალითად, ელექტრონის ანტინაწილაკი არის პოზიტრონი - ელექტრონი დადებითი ელექტრული მუხტით. ელემენტარულ ნაწილაკს, მისი ანტინაწილაკის იდენტურს, ეწოდება ჭეშმარიტად ნეიტრალური, მაგალითად, ნეიტრონი და ანტინეიტრონი, ნეიტრინო და ანტინეიტრინო და ა.შ. როდესაც ანტინაწილაკები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, ისინი ანადგურებენ (იხ.).

როდესაც ელემენტარული ნაწილაკი შედის მატერიალურ გარემოში, ისინი ურთიერთქმედებენ მასთან. არსებობს ძლიერი, ელექტრომაგნიტური, სუსტი და გრავიტაციული ურთიერთქმედება. ძლიერი ურთიერთქმედება (უფრო ძლიერი ვიდრე ელექტრომაგნიტური) ხდება ელემენტარულ ნაწილაკებს შორის, რომლებიც მდებარეობს 10 -15 მ-ზე ნაკლებ მანძილზე (1 ფერმი). 1,5 ფერმიზე მეტ მანძილზე, ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედების ძალა ნულის ტოლია. ეს არის ელემენტარულ ნაწილაკებს შორის ძლიერი ურთიერთქმედება, რაც უზრუნველყოფს ატომის ბირთვების განსაკუთრებულ სიძლიერეს, რაც საფუძვლად უდევს მატერიის მდგრადობას ხმელეთის პირობებში. ძლიერი ურთიერთქმედების დამახასიათებელი თვისებაა მისი დამოუკიდებლობა ელექტრული მუხტისგან. ჰადრონებს შეუძლიათ ძლიერი ურთიერთქმედება. ძლიერი ურთიერთქმედება იწვევს ხანმოკლე ნაწილაკების დაშლას (სიცოცხლის ხანგრძლივობა 10 -23 - 10 -24 წმ.), რომლებსაც რეზონანსები ეწოდება.

ყველა დამუხტული ელემენტარული ნაწილაკი, ფოტონი და ნეიტრალური ნაწილაკი, რომლებსაც აქვთ მაგნიტური მომენტი (მაგალითად, ნეიტრონები) ექვემდებარება ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებას. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების გულში არის კავშირი ელექტრომაგნიტურ ველთან. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ძალები დაახლოებით 100-ჯერ სუსტია, ვიდრე ძლიერი ურთიერთქმედების ძალები. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ძირითადი სფეროა ატომები და მოლეკულები (იხ. მოლეკულა). ეს ურთიერთქმედება განსაზღვრავს მყარი ნივთიერებების სტრუქტურას, ქიმიური ნივთიერების ბუნებას. პროცესები. ის არ შემოიფარგლება ელემენტარულ ნაწილაკებს შორის მანძილით, ამიტომ ატომის ზომა დაახლოებით 10 4-ჯერ აღემატება ატომის ბირთვის ზომას.

სუსტი ურთიერთქმედება ეფუძნება უკიდურესად ნელ პროცესებს ელემენტარულ ნაწილაკებთან. მაგალითად, სუსტი ურთიერთქმედების მქონე ნეიტრინოებს შეუძლიათ თავისუფლად შეაღწიონ დედამიწისა და მზის სისქეში. სუსტი ურთიერთქმედება ასევე იწვევს ეგრეთ წოდებული კვაზი-სტაბილური ელემენტარული ნაწილაკების ნელ დაშლას, რომელთა სიცოცხლის ხანგრძლივობა 10 8 - 10 -10 წამის ფარგლებშია. ელემენტარულ ნაწილაკებს, რომლებიც იბადებიან ძლიერი ურთიერთქმედების დროს (10 -23 -10 -24 წამში), მაგრამ ნელა იშლება (10 -10 წმ.), უცნაურს უწოდებენ.

გრავიტაციული ურთიერთქმედება ელემენტარულ ნაწილაკებს შორის იძლევა უკიდურესად მცირე ეფექტებს ნაწილაკების მასების უგულებელყოფის გამო. ამ ტიპის ურთიერთქმედება კარგად არის შესწავლილი დიდი მასის მქონე მაკროობიექტებზე.

სხვადასხვა ფიზიკური მახასიათებლების მქონე ელემენტარული ნაწილაკების მრავალფეროვნება ხსნის მათი სისტემატიზაციის სირთულეს. ყველა ელემენტარული ნაწილაკებიდან მხოლოდ ფოტონები, ელექტრონები, ნეიტრინოები, პროტონები და მათი ანტინაწილაკები რეალურად სტაბილურია, რადგან მათ აქვთ ხანგრძლივი სიცოცხლე. ეს ნაწილაკები სხვა ელემენტარული ნაწილაკების სპონტანური ტრანსფორმაციის საბოლოო პროდუქტებია. ელემენტარული ნაწილაკების დაბადება შეიძლება მოხდეს პირველი სამი ტიპის ურთიერთქმედების შედეგად. ძლიერი ურთიერთქმედების ნაწილაკებისთვის, ძლიერი ურთიერთქმედების რეაქციები წარმოების წყაროა. ლეპტონები, სავარაუდოდ, წარმოიქმნება სხვა ელემენტარული ნაწილაკების დაშლის შედეგად ან იბადება წყვილებში (ნაწილაკი + ანტინაწილაკი) ფოტონების გავლენის ქვეშ.

ელემენტარული ნაწილაკების ნაკადები ქმნიან მაიონებელ გამოსხივებას (იხ.), რაც იწვევს გარემოს ნეიტრალური მოლეკულების იონიზაციას. ელემენტარული ნაწილაკების ბიოლოგიური ეფექტი დაკავშირებულია დასხივებულ ქსოვილებში და სხეულის სითხეებში მაღალი ქიმიური აქტივობის მქონე ნივთიერებების წარმოქმნასთან. ამ ნივთიერებებს მიეკუთვნება თავისუფალი რადიკალები (იხ. თავისუფალი რადიკალები), პეროქსიდები (იხ.) და სხვა. ელემენტარულ ნაწილაკებს ასევე შეუძლიათ უშუალო გავლენა მოახდინონ ბიომოლეკულებზე და ზემოლეკულურ სტრუქტურებზე, გამოიწვიონ ინტრამოლეკულური ბმების გაწყვეტა, მაკრომოლეკულური ნაერთების დეპოლიმერიზაცია და ა.შ. აგზნება ზოგიერთ მაკრომოლეკულურ სუბსტრატში. უჯრედებში ფერმენტული სისტემების აქტივობა თრგუნავს ან გაუკუღმართებულია, იცვლება უჯრედის მემბრანების სტრუქტურა და უჯრედის ზედაპირული რეცეპტორები, რაც იწვევს მემბრანის გამტარიანობის მატებას და დიფუზიის პროცესების ცვლილებას, რასაც თან ახლავს ცილის დენატურაციის, ქსოვილის დეჰიდრატაციის ფენომენი. და უჯრედის შიდა გარემოს დარღვევა. უჯრედების მგრძნობელობა დიდწილად დამოკიდებულია მათი მიტოზური გაყოფის ინტენსივობაზე (იხ. მიტოზი) და მეტაბოლიზმზე: ამ ინტენსივობის მატებასთან ერთად იზრდება ქსოვილების რადიმგრძნობელობა (იხ. რადიმგრძნობელობა). ელემენტარული ნაწილაკების ნაკადების ეს თვისება - მაიონებელი გამოსხივება - ემყარება მათ გამოყენებას სხივური თერაპიისთვის (იხ.), განსაკუთრებით ავთვისებიანი ნეოპლაზმების სამკურნალოდ. დამუხტული ელემენტარული ნაწილაკების შეღწევის ძალა დიდწილად დამოკიდებულია ხაზოვანი ენერგიის გადაცემაზე (იხ.), ანუ საშუალო ენერგიაზე, რომელიც შთანთქავს საშუალო დამუხტულ ნაწილაკს გავლის წერტილში, რომელიც დაკავშირებულია მისი გზის ერთეულთან.

ელემენტარული ნაწილაკების ნაკადის დამაზიანებელი ეფექტი განსაკუთრებით მოქმედებს სისხლმბადი ქსოვილის ღეროვან უჯრედებზე, სათესლე ჯირკვლების ეპითელიუმზე, წვრილი ნაწლავისა და კანზე (იხ. რადიაციული ავადმყოფობა, რადიაციული დაზიანება). უპირველეს ყოვლისა, დასხივებისას მოქმედი ორგანოგენეზისა და დიფერენციაციის მდგომარეობაში მყოფი სისტემები ზარალდება (იხ. კრიტიკული ორგანო).

ელემენტარული ნაწილაკების ბიოლოგიური და თერაპიული ეფექტი დამოკიდებულია მათ ტიპზე და გამოსხივების დოზაზე (იხ. მაიონებელი გამოსხივების დოზები). ასე, მაგალითად, რენტგენის (იხ. რენტგენოთერაპია), გამა გამოსხივების (იხ. გამა თერაპია) და პროტონული გამოსხივების (იხ. პროტონოთერაპია) ზემოქმედებისას ადამიანის მთელ სხეულზე დაახლოებით 100 რადი დოზით, დროებითი ცვლილება. ჰემატოპოეზის დროს აღინიშნება; ნეიტრონული გამოსხივების გარეგანი ზემოქმედება (იხ. ნეიტრონული გამოსხივება) იწვევს ორგანიზმში სხვადასხვა რადიოაქტიური ნივთიერების წარმოქმნას, როგორიცაა ნატრიუმის, ფოსფორის და ა.შ. რადიონუკლიდები, რომლებიც ბეტა ნაწილაკების (ელექტრონები ან პოზიტრონები) ან გამა კვანტების წყაროა. ორგანიზმში ხდება შემდეგი, რომელსაც ეწოდება სხეულის შინაგანი დასხივება (იხ. რადიოაქტიური ნივთიერებების შეერთება). განსაკუთრებით საშიშია ამ მხრივ სწრაფად შთანთქმის რადიონუკლიდები ერთგვაროვანი განაწილებით ორგანიზმში, მაგალითად. ტრიტიუმი (3H) და პოლონიუმი-210.

რადიონუკლიდები, რომლებიც ელემენტარული ნაწილაკების წყაროა და მონაწილეობენ მეტაბოლიზმში, იყენებენ რადიოიზოტოპების დიაგნოსტიკაში (იხ.).

ბიბლიოგრაფია: Akhiezer A. I. and Rekalo M. P. ელემენტარული ნაწილაკების ბიოგრაფია, კიევი, 1983, ბიბლიოგრ.; Bogolyubov N. N. და Shirokov D. V. Quantum ველები, მოსკოვი, 1980; დაბადებული მ ატომური ფიზიკა, მთარგმნ. ინგლისურიდან, მ., 1965; ჯონსი X. რადიოლოგიის ფიზიკა, ტრანს. ინგლისურიდან მ., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. and Frolova A. V. კლინიკური დოზიმეტრიის ფიზიკური ბაზები, M., 1969; რადიაციული თერაპია მაღალი ენერგიის გამოსხივების გამოყენებით, რედ. ი.ბეკერი და გ.შუბერტი, მთარგმნ. გერმანულიდან., მ., 1964; Tyubiana M. et al. რადიაციული თერაპიისა და რადიობიოლოგიის ფიზიკური საფუძვლები, ტრანს. ფრანგულიდან, მოსკოვი, 1969; Shpolsky E. V. ატომური ფიზიკა, ტ.1, M., 1984; Yang Ch. ელემენტარული ნაწილაკები, ტრანს. ინგლისურიდან მ., 1963 წ.

R.V. Stavntsky.

ელემენტარული ნაწილაკები, ვიწრო გაგებით - ნაწილაკები, რომლებიც არ შეიძლება ჩაითვალოს სხვა ნაწილაკებისგან შემდგარდ. თანამედროვე ფიზიკაში ტერმინი " ელემენტარული ნაწილაკები"გამოიყენება უფრო ფართო გაგებით: ასე ეძახიან მატერიის უმცირეს ნაწილაკებს, იმ პირობით, რომ ისინი არც ატომები არიან (პროტონი გამონაკლისია); ზოგჯერ ამ მიზეზით. ელემენტარული ნაწილაკებისუბბირთვულ ნაწილაკებს უწოდებენ. ამ ნაწილაკების უმეტესობა (ცნობილია 350-ზე მეტი) კომპოზიტური სისტემებია.

ელემენტარული ნაწილაკებიმონაწილეობა ელექტრომაგნიტურ, სუსტ, ძლიერ და გრავიტაციულ ურთიერთქმედებებში. მცირე მასების გამო ელემენტარული ნაწილაკებიმათი გრავიტაციული ურთიერთქმედება, როგორც წესი, არ არის გათვალისწინებული. ყველა ელემენტარული ნაწილაკებიიყოფა სამ ძირითად ჯგუფად. პირველი არის ეგრეთ წოდებული ბოზონები - ელექტროსუსტი ურთიერთქმედების მატარებლები. ეს მოიცავს ფოტონს, ანუ ელექტრომაგნიტური გამოსხივების კვანტს. ფოტონის დანარჩენი მასა ნულის ტოლია, ამიტომ ელექტრომაგნიტური ტალღების გავრცელების სიჩქარე (მათ შორის სინათლის ტალღებში) არის ფიზიკური ეფექტის გავრცელების შემზღუდველი სიჩქარე და არის ერთ-ერთი ფუნდამენტური ფიზიკური მუდმივი; მიიღო ეს თან= (299792458±1.2) მ/წმ.

მეორე ჯგუფი ელემენტარული ნაწილაკები- ლეპტონები, რომლებიც მონაწილეობენ ელექტრომაგნიტურ და სუსტ ურთიერთქმედებებში. ცნობილია 6 ლეპტონი: , ელექტრონული ნეიტრინო, მიონი, მიონური ნეიტრინო, მძიმე τ-ლეპტონი და შესაბამისი ნეიტრინო. ელექტრონი (სიმბოლო e) ითვლება ბუნებაში ყველაზე მცირე მასის მატერიალურ მატარებლად მ e , უდრის 9,1 × 10 -28 გ (ენერგეტიკულ ერთეულებში ≈0,511 მევ) და უმცირესი უარყოფითი ელექტრული მუხტი ე\u003d 1.6 × 10 -19 C. მუონები (სიმბოლო μ -) - ნაწილაკები, რომელთა მასა შეადგენს დაახლოებით 207 ელექტრონის მასას (105,7 მევ) და ელექტრონის მუხტის ტოლი ელექტრული მუხტით; მძიმე τ ლეპტონს აქვს მასა დაახლოებით 1,8 გევ. ამ ნაწილაკების შესაბამისი სამი ტიპის ნეიტრინო არის ელექტრონული (სიმბოლო ν ე), მიონი (სიმბოლო ν μ) და τ-ნეიტრინო (სიმბოლო ν τ) არის მსუბუქი (შესაძლოა მასის გარეშე) ელექტრულად ნეიტრალური ნაწილაკები.

თითოეულ ლეპტონს შეესაბამება , რომელსაც აქვს მასის, სპინის და სხვა მახასიათებლების იგივე მნიშვნელობები, მაგრამ განსხვავდება ელექტრული მუხტის ნიშნით. არსებობს (სიმბოლო e +) - ანტინაწილაკი დადებითად დამუხტულთან მიმართებაში (სიმბოლო μ +) და სამი ტიპის ანტინეიტრინო (სიმბოლოები), რომლებსაც ენიჭებათ სპეციალური კვანტური რიცხვის საპირისპირო ნიშანი, რომელსაც ეწოდება ლეპტონის მუხტი (იხ. ქვემოთ).

ელემენტარული ნაწილაკების მესამე ჯგუფი - ჰადრონები, ისინი მონაწილეობენ ძლიერ, სუსტ და ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებებში. ჰადრონები არის „მძიმე“ ნაწილაკები, რომელთა მასა გაცილებით მეტია, ვიდრე ელექტრონის მასა. ეს არის ყველაზე დიდი ჯგუფი ელემენტარული ნაწილაკები. ჰადრონები იყოფა ბარიონებად - ნაწილაკები ½ћ სპინით, მეზონებად - ნაწილაკები მთელი რიცხვის სპინით (0 ან 1); ასევე ეგრეთ წოდებული რეზონანსები – ჰადრონების ხანმოკლე აღგზნებული მდგომარეობები. ბარიონებში შედის პროტონი (სიმბოლო p) - წყალბადის ატომის ბირთვი, რომლის მასა ~ 1836-ჯერ მეტია. მ e და უდრის 1,672648 × 10 -24 გ (≈938,3 მევ), ხოლო დადებითი ელექტრული მუხტი ნეიტრონის მუხტის ტოლია (სიმბოლო n) - ელექტრული ნეიტრალური ნაწილაკი, რომლის მასა ოდნავ აღემატება პროტონის მასას. ყველაფერი აგებულია პროტონებისა და ნეიტრონებისგან, სწორედ ძლიერი ურთიერთქმედება განაპირობებს ამ ნაწილაკების ერთმანეთთან კავშირს. ძლიერი ურთიერთქმედებისას, პროტონსა და ნეიტრონს აქვთ იგივე თვისებები და განიხილება როგორც ერთი ნაწილაკის ორი კვანტური მდგომარეობა - ნუკლეონი იზოტოპური სპინით ½ћ (იხ. ქვემოთ). ბარიონებში ასევე შედის ჰიპერონები - ელემენტარული ნაწილაკებინუკლეონზე მეტი მასით: Λ-ჰიპერონს აქვს მასა 1116 მევ, Σ-ჰიპერონს - 1190 მევ, Θ-ჰიპერონს - 1320 მევ, Ω-ჰიპერონს - 1670 მევ. მეზონებს აქვთ შუალედური მასები პროტონისა და ელექტრონის მასებს შორის (π-მეზონი, კ-მეზონი). არსებობს ნეიტრალური და დამუხტული მეზონები (დადებითი და უარყოფითი ელემენტარული ელექტრული მუხტით). ყველა მეზონი კლასიფიცირდება ბოზონებად მათი სტატისტიკური თვისებების მიხედვით.

ელემენტარული ნაწილაკების ძირითადი თვისებები

თითოეული ელემენტარული ნაწილაკიაღწერილია ფიზიკური სიდიდეების დისკრეტული მნიშვნელობების სიმრავლით (კვანტური რიცხვები). ყველას ზოგადი მახასიათებლები ელემენტარული ნაწილაკები- მასა, სიცოცხლის ხანგრძლივობა, სპინი, ელექტრული მუხტი.

სიცოცხლის ხანგრძლივობაზეა დამოკიდებული ელემენტარული ნაწილაკებიიყოფა სტაბილურად, კვაზისტაბილურად და არასტაბილურებად (რეზონანსებად). სტაბილური (თანამედროვე გაზომვების სიზუსტის ფარგლებში) არის: ელექტრონი (სიცოცხლის ხანგრძლივობა 5 × 10 21 წელზე მეტი), პროტონი (10 31 წელზე მეტი), ფოტონი და ნეიტრინო. კვაზისტაბილური ნაწილაკები მოიცავს ნაწილაკებს, რომლებიც იშლება ელექტრომაგნიტური და სუსტი ურთიერთქმედების გამო, მათი სიცოცხლის ხანგრძლივობა 10-20 წმ-ზე მეტია. რეზონანსები იშლება ძლიერი ურთიერთქმედების გამო, მათი დამახასიათებელი სიცოცხლის ხანგრძლივობაა 10 -22 - 10 -24 წმ.

შიდა მახასიათებლები (კვანტური რიცხვები) ელემენტარული ნაწილაკებიარიან ლეპტონები (სიმბოლო ლ) და ბარიონული (სიმბოლო AT) გადასახადი; ეს რიცხვები განიხილება მკაცრად დაცულ სიდიდეებად ყველა სახის ფუნდამენტური ურთიერთქმედებისთვის. ლეპტონისთვის და მათი ანტინაწილაკებისთვის ლაქვს საპირისპირო ნიშნები; ბარიონებისთვის AT= 1, შესაბამისი ანტინაწილაკებისთვის AT=-1.

ჰადრონებს ახასიათებთ სპეციალური კვანტური რიცხვების არსებობა: „უცნაურობა“, „ხიბლი“, „სილამაზე“. ჩვეულებრივი (არაუცნაური) ჰადრონები - პროტონი, ნეიტრონი, π-მეზონები. ჰადრონების სხვადასხვა ჯგუფებში არის ნაწილაკების ოჯახები, რომლებსაც აქვთ მსგავსი მასები და მსგავსი თვისებები ძლიერი ურთიერთქმედების მიმართ, მაგრამ განსხვავებული ელექტრული მუხტით; უმარტივესი მაგალითია პროტონი და ნეიტრონი. საერთო კვანტური რიცხვი ასეთი ელემენტარული ნაწილაკები- ეგრეთ წოდებული იზოტოპური სპინი, რომელიც, როგორც ჩვეულებრივი სპინი, იღებს მთელ და ნახევარმთლიან მნიშვნელობებს. ჰადრონების განსაკუთრებული მახასიათებლები მოიცავს შიდა პარიტეტს, რომელიც იღებს ±1 მნიშვნელობებს.

მნიშვნელოვანი ქონება ელემენტარული ნაწილაკები- ელექტრომაგნიტური ან სხვა ურთიერთქმედების შედეგად ურთიერთგარდაქმნების უნარი. ურთიერთგარდაქმნების ერთ-ერთი სახეობაა ე.წ. ელემენტარული ნაწილაკებისაპირისპირო ლეპტონის ან ბარიონის მუხტებით). შესაძლო პროცესებია ელექტრონ-პოზიტრონის წყვილების შექმნა e - e + , მიონური წყვილი μ + μ - ახალი მძიმე ნაწილაკები ლეპტონების შეჯახებისას, კვარკების წარმოქმნა. სს- და ბბ- აცხადებს (იხ. ქვემოთ). სხვა ტიპის გაცვლა ელემენტარული ნაწილაკები- წყვილის განადგურება ნაწილაკების შეჯახების დროს სასრული რაოდენობის ფოტონების (γ-კვანტების) წარმოქმნით. ჩვეულებრივ, 2 ფოტონი წარმოიქმნება, როდესაც შეჯახებული ნაწილაკების ჯამური სპინი ნულის ტოლია, ხოლო 3 ფოტონი წარმოიქმნება, როდესაც ჯამური სპინი 1-ის ტოლია (მუხტის პარიტეტის კონსერვაციის კანონის გამოვლინება).

გარკვეულ პირობებში, კერძოდ, შეჯახებული ნაწილაკების დაბალი სიჩქარით, შესაძლებელია შეკრული სისტემის ფორმირება - პოზიტრონიუმი e - e + და muonium μ + e - . ამ არასტაბილურ სისტემებს ხშირად წყალბადის მსგავსს უწოდებენ. მატერიაში მათი სიცოცხლე დიდწილად დამოკიდებულია მატერიის თვისებებზე, რაც შესაძლებელს ხდის წყალბადის მსგავსი ატომების გამოყენებას შედედებული ნივთიერების სტრუქტურისა და სწრაფი ქიმიური რეაქციების კინეტიკაზე (იხ. მეზონის ქიმია, ბირთვული ქიმია).

ჰადრონების კვარკული მოდელი

ჰადრონების კვანტური რიცხვების დეტალურმა განხილვამ მათი კლასიფიკაციის მიზნით მიგვიყვანა დასკვნამდე, რომ უცნაური ჰადრონები და ჩვეულებრივი ჰადრონები ერთად ქმნიან მსგავსი თვისებების მქონე ნაწილაკების ასოციაციებს, რომლებსაც უნიტარულ მამრავლებს უწოდებენ. მათში შემავალი ნაწილაკების რაოდენობაა 8 (ოქტეტი) და 10 (დეკუპლეტი). ნაწილაკებს, რომლებიც ქმნიან ერთეულ მრავალჯერადს, აქვთ იგივე შინაგანი პარიტეტი, მაგრამ განსხვავდებიან ელექტრული მუხტის (იზოტოპური მულტიპლეტის ნაწილაკები) და უცნაურობის მნიშვნელობებში. სიმეტრიის თვისებები ასოცირდება უნიტარულ ჯგუფებთან, მათი აღმოჩენა საფუძვლად დაედო დასკვნას სპეციალური სტრუქტურული ერთეულების არსებობის შესახებ, საიდანაც აგებულია ჰადრონები - კვარკები. ითვლება, რომ ჰადრონები არის 3 ფუნდამენტური ნაწილაკის კომბინაცია სპინით ½: ნ- კვარკები, დ-კვარკები და ს- კვარკები. ასე რომ, მეზონები შედგება კვარკისა და ანტიკვარკისგან, ბარიონები შედგება 3 კვარკისგან.

ვარაუდი, რომ ჰადრონები შედგება 3 კვარკისგან, გაკეთდა 1964 წელს (ჯ. ცვაიგისა და დამოუკიდებლად მ. გელ-მენის მიერ). შემდგომში, ჰადრონის სტრუქტურის მოდელში შეიტანეს კიდევ ორი ​​კვარკი (კერძოდ, პაულის პრინციპთან წინააღმდეგობის თავიდან ასაცილებლად) - "მოხიბლული" კვარკი ( თან) და ლამაზი" ( ბ), ასევე კვარკების განსაკუთრებული მახასიათებლების - „არომატი“ და „ფერი“ შემოღება. კვარკები, რომლებიც მოქმედებენ ჰადრონების კომპონენტებად, თავისუფალ მდგომარეობაში არ დაფიქსირებულა. ჰადრონების მთელი მრავალფეროვნება განპირობებულია სხვადასხვა კომბინაციებით ნ-, დ-, ს-, თან- და ბ- კვარკები, რომლებიც ქმნიან შეკრულ მდგომარეობებს. ჩვეულებრივი ჰადრონები (პროტონი, ნეიტრონი, π-მეზონები) შეესაბამება შეკრულ მდგომარეობებს, რომლებიც აგებულია ნ- და დ- კვარკები. ჰადრონში ყოფნა, თან ნ- და დ- კვარკები ერთი s-, თან- ან ბ-კვარკი ნიშნავს, რომ შესაბამისი ჰადრონია "უცნაური", "მოჯადოებული" ან "ლამაზი".

ჰადრონების სტრუქტურის კვარკული მოდელი დადასტურდა 1960-იანი წლების ბოლოს და 1970-იანი წლების დასაწყისში ჩატარებული ექსპერიმენტების შედეგად. მე -20 საუკუნე კვარკები რეალურად დაიწყეს ახლებურად განხილვა ელემენტარული ნაწილაკები-მართალია ელემენტარული ნაწილაკებიმატერიის ჰადრონული ფორმისთვის. თავისუფალი კვარკების დაუკვირვებადობა, როგორც ჩანს, ფუნდამენტური ხასიათისაა და საფუძველს იძლევა ვივარაუდოთ, რომ ისინი არიან ელემენტარული ნაწილაკები, რომლებიც ავსებენ მატერიის სტრუქტურული კომპონენტების ჯაჭვს. არსებობს თეორიული და ექსპერიმენტული არგუმენტები იმის სასარგებლოდ, რომ კვარკებს შორის მოქმედი ძალები არ სუსტდებიან მანძილით, ე.ი. კვარკების ერთმანეთისგან განცალკევებისთვის საჭიროა უსასრულოდ დიდი ენერგია, ანუ, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კვარკების თავისუფალ მდგომარეობაში გამოჩენა შეუძლებელია. ეს მათ მატერიის სტრუქტურულ ერთეულებად სრულიად ახალ ტიპად აქცევს. შესაძლებელია, რომ კვარკები მატერიის ფრაგმენტაციის ბოლო საფეხურად მოქმედებენ.

მოკლე ისტორიული ინფორმაცია

ჯერ გახსენი ელემენტარული ნაწილაკიიყო ელექტრონი - ატომებში უარყოფითი ელექტრული მუხტის მატარებელი (J.J. Thomson, 1897). 1919 წელს ე. რეზერფორდმა აღმოაჩინა პროტონები ატომის ბირთვებიდან ამოვარდნილ ნაწილაკებს შორის. ნეიტრონები აღმოაჩინა 1932 წელს ჯ. ჩადვიკმა. 1905 წელს ა. აინშტაინმა დაადგინა, რომ ელექტრომაგნიტური გამოსხივება არის ინდივიდუალური კვანტების (ფოტონების) ნაკადი და ამის საფუძველზე ახსნა ფოტოელექტრული ეფექტის ნიმუშები. არსებობა, როგორც განსაკუთრებული ელემენტარული ნაწილაკიპირველად შემოთავაზებული W. Pauli (1930); ელექტრონული

ელემენტარული ნაწილაკები

ბუნებრივია მატერიის სტრუქტურის განხილვის დაწყება „ყველაზე პატარა“ სტრუქტურული ერთეულებიდან, რომელთა არსებობა ახლა უკვე დადგენილია. ასეთ ნაწილაკებს უწოდებენ ელემენტარულს, როგორც უფრო განუყოფელს (მათი სტრუქტურა არ არის გამოვლენილი) და როგორც ფუნდამენტურს, საიდანაც შედგება მატერია.

ელემენტარული ნაწილაკების კლასიფიკაცია.ძლიერ ურთიერთქმედებაში მონაწილე ნაწილაკები შეადგენენ ჰადრონების ოჯახს. ეს არის ბარიონები (პროტონი რ, ნეიტრონი ნ), ჰიპერონები (λ, Σ და სხვ.), მეზონები (π-; კ-), ისევე როგორც ე.წ. რეზონანსული ნაწილაკების (რეზონანსების) დიდი ჯგუფი. ბარიონებს აქვთ ნახევარი მთელი სპინები, მეზონებს აქვთ მთელი რიცხვი. ბარიონები მეზონებისგან განსხვავდებიან ეგრეთ წოდებული ბარიონის მუხტით, ამასთან დაკავშირებით ბარიონის მეზონებად გადაქცევა აკრძალულია ბარიონის მუხტის შენარჩუნების კანონით. ეს არის მნიშვნელოვანი თვისება, რომელიც უზრუნველყოფს ბირთვების და, შესაბამისად, მთელი სამყაროს სტაბილურობას. მართლაც, თუ ნუკლეონები, რომლებიც ბარიონებია (პროტონი და ნეიტრონი) შეიძლება გადაიქცეს მეზონებად, მაშინ ატომის ბირთვები საბოლოოდ დაიშლება. ადრონები არ არის ჭეშმარიტად ელემენტარული ნაწილაკები, ანუ მათ აქვთ შიდა სტრუქტურა. ეს განმარტავს, კერძოდ, ჰადრონების უმეტესობის არასტაბილურობას.

დღეს, მართლაც ფუნდამენტური უსტრუქტურო ნაწილაკების არსებობა, რომლებიც ქმნიან ჰადრონებს, შეიძლება დადასტურებულად ჩაითვალოს. ამ ნაწილაკებს კვარკებს უწოდებენ (Gell-Mann, Zweig, 1963). ისინი ჯერ ექსპერიმენტულად არ არის გამოვლენილი, სავარაუდოდ ნაკადები, რომლებიც არ არსებობს ცალკე, ანუ თავისუფალ მდგომარეობაში. ცნობილია, რომ კვარკების მუხტი არის 1/3-ის ჯერადი ედა სპინი არის 1/2. სავარაუდოა, რომ კვარკების ექვსი ტიპია, რომლებიც გამოირჩევიან მახასიათებლით, რომელსაც ეწოდება "არომატი" (ზემოთ, ქვევით, ხიბლი, უცნაური, ჭეშმარიტი, საყვარელი); თითოეულ კვარკს ასევე ახასიათებს გარკვეული კვანტური რიცხვი - „ფერი“ (წითელი, მწვანე, ლურჯი). ყველა ბარიონი შედგება სამი კვარკისგან (მაგალითად, პროტონი, ორი ზედა მუხტით +2/3 ედა ერთი ქვედა დამუხტვით - 1/Z ე). „ფერის“ მიხედვით, კვარკების ტრიო „შერჩეულია“ ისე, რომ პროტონი იყოს „თეთრი“. მეზონები შედგება კვარკისა და ანტიკვარკისგან.

ყველა სხვა ნაწილაკს (გარდა ფოტონისა), რომლებიც არ მონაწილეობენ ძლიერ ურთიერთქმედებებში, ლეპტონები ეწოდება. ლეპტონების ოჯახი წარმოდგენილია ექვსი უსტრუქტურო („წერტილი“) ნაწილაკებით: ელექტრონი ე, მუონი μ, ტაუ-ლეპტონი (ტაონი) τ და ამ ნაწილაკების შესაბამისი ნეიტრინოები ( ვე , ვ μ , ვ τ).

კვარკ-ლეპტონის სიმეტრიის პრინციპის მიხედვით, თითოეული ლეპტონი შეესაბამება გარკვეულ კვარკს (ცხრილი 5.2).

ცხრილი 5.2.

ამრიგად, კვარკები და ლეპტონები დღეს ურთიერთქმედების მატარებელ ნაწილაკებთან ერთად ჭეშმარიტად ელემენტარულ (ფუნდამენტურ) ნაწილაკებად ითვლება. პირველი თაობის ლეპტონებიდან და კვარკებიდან, ფოტონებთან ერთად, აგებულია თანამედროვე სამყარო. ითვლება, რომ მეორე და მესამე თაობის ნაწილაკებმა მნიშვნელოვანი როლი ითამაშეს ადრეულ სამყაროში, დიდი აფეთქების პირველ მომენტებში, მაშინ როცა განსხვავება კვარკებსა და ლეპტონებს შორის არ არსებობდა.

ელემენტარული ნაწილაკების ძირითადი მახასიათებლები. ელემენტარული ნაწილაკების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია სტაბილურობა, ანუ თავისუფალ მდგომარეობაში ყოფნის შესაძლებლობა გარკვეული დროის განმავლობაში (სიცოცხლის მანძილზე). ექსპერიმენტულად აღმოჩენილ ნაწილაკებს შორის მხოლოდ რამდენიმეა სტაბილური. პროტონი, ელექტრონი, ფოტონი და, როგორც ითვლება, ყველა ტიპის ნეიტრინო შეიძლება არსებობდეს განუსაზღვრელი ვადით თავისუფალ მდგომარეობაში. ყველა სხვა ნაწილაკი, რომელიც მიდრეკილია გადავიდეს მინიმალური ენერგიით მდგომარეობაში, მეტ-ნაკლებად სწრაფად იშლება და აღწევს საბოლოო სტაბილურ მდგომარეობას. უმოკლეს სიცოცხლე (~10 -23 წმ) არის რეზონანსული ნაწილაკებისთვის. თავისუფალ მდგომარეობაში ნეიტრონი არსებობს ~ 10 3 წმ. ლეპტონების ოჯახში მიონი „ცხოვრობს“ ~10-6 წმ, ტაონი ~10-12 წმ.

ვარაუდობენ, რომ ბუნებაში ხანმოკლე ელემენტარული ნაწილაკები გადამწყვეტ როლს ასრულებენ ექსტრემალურ პირობებში, მაგალითად, სამყაროს ფორმირების საწყისი ეტაპების მსგავსი.

დასასვენებელი მასებისტაბილურ ელემენტარულ ნაწილაკებს აქვთ შემდეგი მნიშვნელობა: პროტონი მ p ≈ 1,67 10 -27 კგ, ელექტრონ მ e ≈ 0,91 10 -30 კგ. ფოტონს და ყველა ტიპის ნეიტრინოს აქვს ნულოვანი დასვენების მასა.

როგორც წესი, ელემენტარული ნაწილაკების მასები გამოიხატება ენერგიის ერთეულებში - ელექტრონ ვოლტებში. მერე მ p ≈938.3×10 6 eV = 938.3 MeV, მ e ≈ 0.51 მევ.

ელემენტარულ ნაწილაკებს აქვთ ელექტრული მუხტი +ეან -ეან ელექტრონულად ნეიტრალურია.

ელექტრონის მუხტი ეუდრის - 1,6 10 -19 C.

ელემენტარული ნაწილაკების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია სპინი. სპინის მნიშვნელობა განსაზღვრავს ტალღის ფუნქციის ტიპს (სიმეტრიული ან ანტისიმეტრიული) და სტატისტიკის ტიპს (ანუ კანონი, რომელიც აღწერს მიკრონაწილაკების ჯგუფის ქცევას). ნულოვანი ან მთელი რიცხვის სპინის მქონე ნაწილაკები (ფოტონები, π-მეზონები და ა.შ.) ემორჩილებიან ბოზე-აინშტაინის სტატისტიკას და უწოდებენ ბოზონებს. ნახევარმთლიანი სპინის მქონე ნაწილაკები (ელექტრონები, პროტონები, ნეიტრონები) ემორჩილებიან ფერმი-დირაკის სტატისტიკას და უწოდებენ ფერმიონებს. ფუნდამენტური ფერმიონებია ლეპტონები და კვარკები. ფერმიონები ემორჩილებიან პაულის პრინციპს, რომლის მიხედვითაც, იდენტური ფერმიონების ნებისმიერ სისტემაში, არც ერთი მათგანი არ შეიძლება იყოს ერთდროულად იმავე მდგომარეობაში. როგორც გამოიყენება ატომში ელექტრონების განაწილებაზე, პაულის პრინციპი ამბობს; რომ ერთსა და იმავე ატომში არ შეიძლება იყოს ერთზე მეტი ელექტრონი ოთხი კვანტური რიცხვის ერთნაირი სიმრავლით n,l,mდა σ .

პაულის პრინციპი ემყარება იდენტური კვანტური ნაწილაკების განურჩევლობას. როდესაც ორი ფერმიონი იცვლება, ტალღის ფუნქციამ უნდა შეცვალოს თავისი ნიშანი. თუმცა, თუ ორი ფერმიონის მდგომარეობები (ანუ მათი კვანტური რიცხვების სიმრავლე) ერთნაირია, მაშინ ψ-ფუნქცია არ უნდა შეცვალოს ნიშანი. ეს წინააღმდეგობა ფორმალურად აღმოიფხვრება მხოლოდ მაშინ, როცა ψ=0, რაც ნიშნავს ასეთ მდგომარეობაში ნაწილაკის პოვნის შეუძლებლობას (ნულოვან ალბათობას).

ანტინაწილაკები.ყველა ცნობილი ელემენტარული ნაწილაკისთვის არის ე.წ. ნაწილაკისა და ანტინაწილაკების მასები, სიცოცხლის ხანგრძლივობა და სპინები იგივეა. სხვა მახასიათებლები, მაგალითად, ელექტრული მუხტი, მაგნიტური მომენტი, ტოლია აბსოლუტური მნიშვნელობით, მაგრამ საპირისპირო ნიშნით. ასეთი წყვილია, მაგალითად, პროტონი რდა ანტიპროტონი, ელექტრონი - და ანტიელექტრონი ე+ (ანუ პოზიტრონი ე+). ზოგიერთი ნაწილაკი, როგორიცაა ფოტონი, მათი ანტინაწილაკების იდენტურია.

ანტინაწილაკები იბადებიან ბირთვულ რეაქციებში საკმარისად მაღალი ენერგიით, მაგრამ მათი სიცოცხლე მატერიაში ხანმოკლეა. როდესაც ნაწილაკი ხვდება ანტინაწილაკს, ხდება განადგურება. „ნაწილაკი-ანტინაწილაკის“ წყვილის მასა და კინეტიკური ენერგია გარდაიქმნება ფოტონების ან სხვა ნაწილაკების ენერგიად. მაგალითად, როდესაც ელექტრონი და პოზიტრონი ანადგურებენ, ორი ფოტონი გამოიყოფა:

ე - + ე+ → 2γ.

თავის მხრივ, ფოტონები შეიძლება გადაიქცეს ელექტრონ-პოზიტრონის წყვილებად. ასეთ რეაქციებში აშკარად ვლინდება სამყაროს კლასიკური სურათისთვის დამახასიათებელი ველისა და მატერიის მკაფიო ხაზის არარსებობა.

ატომური ბირთვები

ბუნების ობიექტების განხილულ იერარქიაში შემდეგი არის ატომის ბირთვი. ბირთვი არის ორი ტიპის ჰადრონების - პროტონებისა და ნეიტრონების დაკავშირებული სისტემა, რომლებიც ამ შემთხვევაში გაერთიანებულია საერთო სახელწოდებით "ნუკლეონები". პროტონი არის უმარტივესი ატომის, წყალბადის ატომის ბირთვი. მას აქვს დადებითი მუხტი, რომელიც რიცხობრივად უდრის ელექტრონის მუხტს. ნეიტრონი ელექტრულად ნეიტრალურია. ნეიტრონული მასა მ n \u003d 1.6750 10 -27 კგ. პროტონების რაოდენობას ატომის ბირთვში ეწოდება ატომური რიცხვი ( ზ), და ნუკლეონების საერთო რაოდენობა არის მასური რიცხვი ( მაგრამ). ბირთვული მუხტი დადებითია და ტოლია ზ · ე. ატომური ბირთვების უმეტესობა წარმოდგენილია იზოტოპების ჯგუფებით. დატენვა ზიზოტოპების თითოეულ ჯგუფში მუდმივია, მაგრამ ნეიტრონების რაოდენობა განსხვავებულია. არსებობს სტაბილური, გრძელვადიანი და რადიოაქტიური იზოტოპები. რადიოაქტიური არასტაბილურობის მიზეზები დაკავშირებულია ბირთვის შიგნით ნეიტრონების ნაკლებობასთან ან სიჭარბესთან.

ბირთვის ზომა პირობითად ხასიათდება რადიუსით რბირთვები. რადიუსი იზრდება ნუკლეონების რაოდენობასთან ერთად ფორმულის მიხედვით, სადაც რ 0 = (1.3 ..., 1.7) · 10 -15 მ ბირთვში ნუკლეონების "შეფუთვის" სიმკვრივე ძალიან მაღალია და შეადგენს ~10 44 ნუკლეონს/მ 3 ან 10 17 კგ/მ 3-ს.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ბირთვის სტაბილურობა აიხსნება მიზიდულობის ძალების ძლიერი ურთიერთქმედების ან ბირთვული ძალების არსებობით. ბირთვში ნუკლეონების შესანარჩუნებლად საჭირო ენერგია, ენერგიის შენარჩუნების კანონის შესაბამისად, განისაზღვრება იმ სამუშაოთი, რომელიც უნდა გაკეთდეს ბირთვის შემადგენელ ნუკლეონებად დაყოფისთვის. ამ ენერგიას ბირთვის შებოჭვის ენერგია ეწოდება. შებოჭვის ენერგია გამოიხატება როგორც ბირთვის მასის შემცირება მისი წარმოქმნის დროს ბირთვის შემადგენელი ნუკლეონების მთლიან მასასთან შედარებით:

მნიშვნელობა Δ მმასობრივი დეფექტი ეწოდება. შებოჭვის ენერგია განისაზღვრება როგორც

ჩვეულებრივ, ბირთვს ახასიათებს სპეციფიკური შებოჭვის ენერგიით, ანუ ენერგიით თითო ნუკლეონზე. ნახ. 5.3 გვიჩვენებს სპეციფიკური შებოჭვის ენერგიის დამოკიდებულებას მასის რიცხვზე მაგრამახასიათებს ნუკლეონების კავშირის სიმტკიცეს სხვადასხვა ქიმიური ელემენტების ბირთვებში. როგორც გრაფიკიდან ჩანს, მასობრივი რიცხვების მქონე ელემენტების ბირთვების ბმები (28 ... 138) ყველაზე ძლიერია. როგორც გაზრდით მაგრამკავშირის ენერგია მცირდება. ბირთვების სიძლიერის დაქვეითება აიხსნება იმით, რომ მსუბუქ ბირთვებში ნუკლეონების ბმები არ არის გაჯერებული, ხოლო მძიმე ბირთვებში იწყება პროტონების კულონური მოგერიება ერთმანეთისგან.

ნახ. 5.3 ასევე გვიჩვენებს, რომ უფრო სტაბილური ბირთვების ფორმირების პროცესები (ანუ Δ-ის დიდი მნიშვნელობებით ხასიათდება ე SW თან ახლავს ენერგიის გამოყოფას. ამრიგად, მსუბუქი ბირთვების შერწყმის რეაქცია უფრო მძიმეების წარმოქმნით (ისარი 1 ნახ. 5.3-ზე) და მძიმე ბირთვების დაშლის რეაქციები (ისარი 2 ნახ. 5.3-ზე) პერსპექტიულია ენერგიის თვალსაზრისით.

ეს საკითხი დეტალურად არის განხილული კურსის მეორე ნაწილში.

ბირთვული რეაქციები. რადიოაქტიურობა. ბირთვული რეაქციები არის პროცესები, როდესაც ზოგიერთი ელემენტის ბირთვი მიიღება სხვა ელემენტების ბირთვებისგან. ეს პროცესები შეიძლება მოხდეს როგორც გარეგანი ზემოქმედების შედეგად (მაგალითად, „ბირთის სხვა ნაწილაკებთან შეჯახება“), ასევე სპონტანურად, სპონტანურად (რადიოაქტიური ზრდა).

ბირთვული რეაქციები იწერება ქიმიური რეაქციების მსგავსად. მაგალითად, ურანის ბირთვის დაშლის რეაქციის შედეგად ნეიტრონთან შეჯახებისას წარმოიქმნება ცეზიუმის და რუბიდიუმის ბირთვები და ორი ნეიტრონი:

ბირთვის დასხივება ნეიტრონებით ყველაზე ხშირად გამოიყენება ბირთვული რეაქციების განსახორციელებლად. ფაქტია, რომ ელექტრულად ნეიტრალური ნეიტრონი არ განიცდის ბირთვის პროტონების კულონის მოგერიებას და ადვილად აღწევს მასში. მაღალი ენერგიის (>100 მევ) ნეიტრონული გამოსხივების მოქმედებით, ყველა ბირთვი იყოფა.

დაშლის რეაქციებში გამოთავისუფლებულმა ნეიტრონებმა შეიძლება გამოიწვიოს სხვა ბირთვების დაშლა, რის გამოც ხდება ჯაჭვური რეაქცია - ზვავის მსგავსი პროცესი, მაგალითად, ატომური ბომბის აფეთქება. ნეიტრონების ნაწილი შეიძლება ამოღებულ იქნეს დაშლის მასალისგან, შემდეგ კი დაშლის რეაქცია შეიძლება გაკონტროლდეს. გრაფიტის ღეროებში ნეიტრონების შეწოვა გამოიყენება ბირთვულ რეაქტორებში.

ბირთვების სპონტანურ დაშლას სხვადასხვა ნაწილაკების გამოსხივებით რადიოაქტიურობა ეწოდება. ნებისმიერი რადიოაქტიური დაშლისას საწყისი ბირთვის მასა აღემატება მოჭრილი პროდუქტების ერთეულ მასას, ე.ი. ენერგია გამოიყოფა. ბუნებრივი რადიოაქტიურობა აღმოაჩინა ა.ბსკერელმა (1896), ხელოვნური კი - ჯოლიო-კურიის მეუღლეებმა (1936 წ.). რადიოაქტიურობის ძირითადი ტიპებია ალფა, ბეტა და გამა დაშლა.

ალფა დაშლა შედგება ბირთვის მიერ ცი-ნაწილაკების სპონტანური გამოსხივებისგან (ანუ ჰელიუმის ბირთვი). ალფა დაშლა შეინიშნება მხოლოდ მძიმე ბირთვებში Z ≥ 82.

ბეტა დაშლის დროს, ბირთვი ასხივებს ელექტრონს და ელექტრონულ ანტინეიტრინოს (ან პოზიტრონს და ელექტრონულ ნეიტრინოს):

ბეტა დაშლა განპირობებულია სუსტი ურთიერთქმედებით გამოწვეული ნუკლეონების გარდაქმნით, მაგალითად, ჩაწერილ რეაქციებში პირველში ხდება ნეიტრონის ტრანსფორმაცია სქემის მიხედვით.

გამა დაშლა შედგება ბირთვის მიერ მაღალი ენერგიის ფოტონების (γ-კვანტების) გამოსხივებაში. ბირთვი, როგორც კვანტური სისტემა, შეიძლება იყოს სხვადასხვა ენერგიების მდგომარეობებში. აღგზნებული ენერგეტიკული მდგომარეობიდან მიწაზე გადასვლისას, აუღელვებელი ბირთვები ასხივებენ γ-კვანტებს. ამ შემთხვევაში არც ბირთვის მასობრივი რიცხვი A და არც ატომური რიცხვი ზარ შეცვალო.