Cuvântul atom înseamnă „indivizibil”. A fost introdus de filozofii greci pentru a desemna cele mai mici particule din care, conform ideii lor, constă materia.
Fizicienii și chimiștii secolului al XIX-lea au adoptat termenul pentru cele mai mici particule cunoscute de ei. Deși am reușit să „despărțim” atomi de mult timp și indivizibilul a încetat să mai fie indivizibil, totuși acest termen s-a păstrat. Conform ideii noastre actuale, atomul este format din cele mai mici particule, pe care le numim particule elementare. Există și alte particule elementare care nu sunt de fapt un constituent al atomilor. Ele sunt de obicei produse folosind ciclotroni puternici, sincrotroni și alți acceleratori de particule special conceputi pentru a studia aceste particule. Ele apar și atunci când razele cosmice trec prin atmosferă. Aceste particule elementare se degradează după câteva milionatimi de secundă și adesea într-o perioadă și mai scurtă de timp după apariția lor. Ca rezultat al degradarii, ele fie se schimbă, transformându-se în alte particule elementare, fie eliberează energie sub formă de radiație.
Studiul particulelor elementare se concentrează pe numărul tot mai mare de particule elementare de scurtă durată. Deși această problemă este de mare importanță, în special, deoarece este legată de cele mai fundamentale legi ale fizicii, cu toate acestea, studiul particulelor se desfășoară în prezent aproape izolat de alte ramuri ale fizicii. Din acest motiv, ne vom limita să luăm în considerare doar acele particule care sunt componente permanente ale celor mai comune materiale, precum și unele particule care sunt foarte apropiate de acestea. Prima dintre particulele elementare descoperite la sfârșitul secolului al XIX-lea a fost electronul, care a devenit apoi un slujitor extrem de util. În tuburile radio, fluxul de electroni se mișcă în vid; și tocmai prin ajustarea acestui flux semnalele radio de intrare sunt amplificate și convertite în sunet sau zgomot. Într-un televizor, fasciculul de electroni servește ca un stilou care reproduce instantaneu și precis pe ecranul receptorului ceea ce vede camera emițătorului. În ambele cazuri, electronii se mișcă în vid, astfel încât, dacă este posibil, nimic să interfereze cu mișcarea lor. O altă proprietate utilă este capacitatea lor, care trece prin gaz, de a-l face să strălucească. Astfel, permițând electronilor să treacă printr-un tub de sticlă umplut cu gaz la o anumită presiune, folosim acest fenomen pentru a produce lumină de neon, care este folosită noaptea pentru a ilumina orașele mari. Și iată o altă întâlnire cu electronii: fulgerele au fulgerat, iar miriade de electroni, străpungând grosimea aerului, creează un sunet de tunet.
Cu toate acestea, în condiții terestre există un număr relativ mic de electroni care se pot mișca liber, așa cum am văzut în exemplele anterioare. Cele mai multe dintre ele sunt legați în siguranță în atomi. Deoarece nucleul unui atom este încărcat pozitiv, atrage electroni încărcați negativ spre sine, forțându-i să rămână pe orbite care sunt relativ aproape de nucleu. Un atom este alcătuit de obicei dintr-un nucleu și un număr de electroni. Dacă un electron părăsește un atom, acesta este de obicei imediat înlocuit cu un alt electron, pe care nucleul atomic îl atrage cu mare forță din mediul său imediat.
Cum arată acest electron minunat? Nimeni nu l-a văzut și nu-l va vedea niciodată; și totuși îi cunoaștem atât de bine proprietățile încât putem prezice în detaliu cum se va comporta în cele mai variate situații. Îi cunoaștem masa („greutatea”) și sarcina electrică. Știm că de cele mai multe ori se comportă de parcă s-ar confrunta cu un foarte mic particulă, în alte cazuri dezvăluie proprietățile valuri. O teorie extrem de abstractă, dar în același timp foarte precisă a electronului a fost propusă în forma sa finală în urmă cu câteva decenii de către fizicianul englez Dirac. Această teorie ne oferă posibilitatea de a determina în ce circumstanțe electronul va fi mai mult ca o particulă și în ce circumstanțe caracterul său de undă va prevala. Această natură duală - particule și undă - face dificilă oferirea unei imagini clare a electronului; prin urmare, o teorie care ia în considerare ambele concepte și totuși oferă o descriere completă a electronului trebuie să fie foarte abstractă. Dar ar fi nerezonabil să limităm descrierea unui fenomen atât de remarcabil precum electronul la imagini pământești precum mazărea și valurile.
Una dintre premisele teoriei lui Dirac despre electron a fost că trebuie să existe o particulă elementară care are aceleași proprietăți ca și electronul, cu excepția faptului că este încărcată pozitiv și nu negativ. Într-adevăr, un astfel de electroni geamăn a fost descoperit și numit Pozitron. Face parte din razele cosmice și apare și ca urmare a dezintegrarii anumitor substanțe radioactive. În condiții terestre, viața unui pozitron este scurtă. De îndată ce se află în vecinătatea unui electron, iar acest lucru se întâmplă în toate substanțele, electronul și pozitronul se „extermină” reciproc; Sarcina electrică pozitivă a pozitronului neutralizează sarcina negativă a electronului. Întrucât, conform teoriei relativității, masa este o formă de energie și întrucât energia este „indestructibilă”, energia reprezentată de masele combinate ale electronului și pozitronului trebuie cumva să fie stocată. Această sarcină este îndeplinită de un foton (cuantum de lumină), sau de obicei doi fotoni, care sunt emiși ca urmare a acestei coliziuni fatale; energia lor este egală cu energia totală a electronului și pozitronului.
De asemenea, știm că are loc și procesul invers, un Foton poate, în anumite condiții, de exemplu, zburând aproape de nucleul unui atom, să creeze un electron și un pozitron „din nimic”. Pentru o astfel de creație, trebuie să aibă o energie cel puțin egală cu energia corespunzătoare masei totale a electronului și pozitronului.
Prin urmare, particulele elementare nu sunt eterne sau permanente. Atât electronii, cât și pozitronii pot veni și pleca; cu toate acestea, energia și sarcinile electrice rezultate sunt conservate.
Cu excepția electronului, particula elementară cunoscută de noi mult mai devreme decât orice altă particulă nu este pozitronul, care este relativ rar, dar proton este nucleul atomului de hidrogen. La fel ca și pozitronul, este încărcat pozitiv, dar masa sa este de aproximativ două mii de ori mai mare decât masa pozitronului sau a electronului. La fel ca aceste particule, protonul prezintă uneori proprietăți de undă, dar numai în condiții excepțional de speciale. Faptul că natura sa ondulatorie este mai puțin pronunțată este de fapt o consecință directă a masei sale mult mai mari. Natura ondulatorie, care este caracteristică întregii materie, nu devine de o importanță deosebită pentru noi până când nu începem să lucrăm cu particule excepțional de ușoare, cum ar fi electronii.
Protonul este o particulă foarte comună.Atomul de hidrogen este format dintr-un proton, care este nucleul său, și un electron, care orbitează în jurul lui. Protonul face, de asemenea, parte din toate celelalte nuclee atomice.
Fizicienii teoreticieni au prezis că protonul, ca și electronul, are o antiparticulă. Deschidere proton negativ sau antiproton, care are aceleași proprietăți ca și protonul, dar este încărcat negativ, a confirmat această predicție. Ciocnirea unui antiproton cu un proton îi „extermină” pe amândoi în același mod ca și în cazul unei coliziuni a unui electron și a unui pozitron.
O altă particulă elementară neutroni, are aproape aceeași masă ca un proton, dar este neutru din punct de vedere electric (nicio sarcină electrică). Descoperirea sa în anii treizeci ai secolului nostru - aproximativ simultan cu descoperirea pozitronului - a fost extrem de importantă pentru fizica nucleară. Neutronul face parte din toate nucleele atomice (cu excepția, desigur, a nucleului obișnuit al atomului de hidrogen, care este pur și simplu un proton liber); Când un nucleu atomic se descompune, eliberează unul (sau mai mulți) neutroni. Explozia unei bombe atomice are loc din cauza neutronilor eliberați din nucleele de uraniu sau plutoniu.
Deoarece protonii și neutronii formează împreună nuclee atomice și ambii se numesc nucleoni, după un timp, un neutron liber se transformă într-un proton și un electron.
Suntem familiarizați cu o altă particulă numită antineutron, care, la fel ca neutronul, este neutru din punct de vedere electric. Are multe dintre proprietățile unui neutron, dar una dintre diferențele fundamentale este că un antineutron se descompune într-un antiproton și un electron. Ciocnirea, neutronul și antineutronul se distrug reciproc,
Foton, sau cuantumul luminii, o particulă elementară extrem de interesantă. Dorind să citim o carte, aprindem becul. Așadar, becul aprins generează un număr imens de fotoni care se repezi spre carte, precum și spre toate celelalte colțuri ale camerei, cu viteza luminii. Unii dintre ei, lovind pereții, mor imediat, alții din nou și din nou lovesc și sară de pereții altor obiecte, dar după mai puțin de o milioneme de secundă din momentul în care apar, toți mor, cu excepția câtorva. care reușesc să scape pe fereastră și să se strecoare în spațiu. Energia necesară pentru a genera fotoni este furnizată de electronii care curg printr-un bec care este aprins; murind, fotonii dau această energie unei cărți sau altui obiect, încălzindu-l, sau ochiului, provocând stimularea nervilor optici.
Energia unui foton și, prin urmare, masa acestuia, nu rămâne neschimbată: există fotoni foarte ușori alături de fotoni foarte grei. Fotonii care produc lumină obișnuită sunt foarte ușori, masa lor este de doar câteva milionatimi din masa unui electron. Alți fotoni au o masă aproximativ aceeași cu masa unui electron și chiar mult mai mult. Exemple de fotoni grei sunt razele X și razele gamma.
Iată o regulă generală: cu cât particula elementară este mai ușoară, cu atât natura sa ondulată este mai expresivă. Cele mai grele particule elementare - protonii - dezvăluie caracteristici de unde relativ slabe; sunt ceva mai puternici pentru electroni; cele mai puternice sunt cele ale fotonilor. Într-adevăr, natura ondulatorie a luminii a fost descoperită mult mai devreme decât caracteristicile ei corpusculare. Știm că lumina nu este altceva decât mișcarea undelor electromagnetice de când Maxwell a demonstrat-o în a doua jumătate a secolului trecut, dar Planck și Einstein au fost, la începutul secolului al XX-lea, cei care au descoperit că lumina are și caracteristici corpusculare, că a emis uneori sub formă de „cuante” separate sau, cu alte cuvinte, sub forma unui flux de fotoni. Nu se poate nega că este dificil să unim și să contopim împreună în mintea noastră aceste două concepții aparent diferite despre natura luminii; dar putem spune că, la fel ca „natura duală” a electronului, concepția noastră despre un fenomen atât de evaziv ca lumina trebuie să fie foarte abstractă. Și numai atunci când vrem să ne exprimăm ideea în termeni grosieri, uneori trebuie să asemuim lumina cu un flux de particule, fotoni sau mișcare ondulatorie de natură electromagnetică.
Există o relație între natura corpusculară a fenomenului și proprietățile sale de „undă”. Cu cât particula este mai grea, cu atât lungimea de undă corespunzătoare este mai scurtă; cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât particula corespunzătoare este mai ușoară. Razele X, care sunt alcătuite din fotoni foarte grei, au în mod corespunzător lungimi de undă foarte scurte. Lumina roșie, care are o lungime de undă mai mare decât cea albastră, este formată din fotoni mai ușori decât fotonii de lumină albastră. Cele mai lungi unde electromagnetice existente - undele radio - sunt formate din fotoni mici. Aceste unde nu prezintă deloc proprietățile particulelor, natura lor ondulatorie fiind caracteristica în întregime dominantă.
Și, în sfârșit, cea mai mică dintre toate particulele elementare mici este neutrini. Este lipsit de sarcină electrică, iar dacă are vreo masă, atunci este aproape de zero. Cu o oarecare exagerare, putem spune că neutrino este pur și simplu lipsit de proprietăți.
Cunoștințele noastre despre particulele elementare reprezintă granița modernă a fizicii. Atomul a fost descoperit în secolul al XIX-lea, iar oamenii de știință ai vremii au descoperit un număr tot mai mare de diferite tipuri de atomi; în mod similar astăzi găsim din ce în ce mai multe particule elementare. Și deși s-a dovedit că atomii constau din particule elementare, nu ne putem aștepta ca prin analogie să se constate că particulele elementare constau din particule și mai mici. Problema cu care ne confruntăm astăzi este foarte diferită și nu există nici cel mai mic semn că putem diviza particulele elementare. Mai degrabă, ar trebui să sperăm că se va demonstra că toate particulele elementare sunt manifestări ale unui fenomen și mai fundamental. Și dacă ar fi posibil să stabilim acest lucru, am fi capabili să înțelegem toate proprietățile particulelor elementare; putea să-și calculeze masele și modul în care interacționează. S-au făcut multe încercări de abordare a soluției acestei probleme, care este una dintre cele mai importante probleme din fizică.
Particulele elementare sunt particule care nu și-au găsit încă o structură internă. Chiar și în ultimul secol, atomii erau considerați particule elementare. Structura lor internă - nuclee și electroni - a fost descoperită la începutul secolului al XX-lea. în experimentele lui E. Rutherford. Dimensiunea atomilor este de aproximativ 10 -8 cm, nucleele sunt de zeci de mii de ori mai mici, iar dimensiunea electronilor este foarte mică. Are mai puțin de 10 -16 cm, după cum reiese din teoriile și experimentele moderne.
Astfel, acum electronul este o particulă elementară. În ceea ce privește nucleele, structura lor internă a fost dezvăluită la scurt timp după descoperirea lor. Sunt formați din nucleoni - protoni și neutroni. Nucleele sunt destul de dense: distanța medie dintre nucleoni este de doar câteva ori dimensiunea lor. Pentru a afla din ce constau nucleonii a fost nevoie de aproximativ o jumătate de secol, însă, în același timp, au apărut și au fost rezolvate și alte mistere ale naturii.
Nucleonii constau din trei quarci, care sunt elementari cu aceeași precizie ca un electron, adică raza lor este mai mică de 10 -16 cm.Raza nucleonilor - dimensiunea zonei ocupate de quarci - este de aproximativ 10 -13 cm. particule - barioni, compuse din trei quarci diferiți (sau identici). Quarcii pot forma triple în moduri diferite, iar acest lucru determină diferențele în proprietățile unui barion, de exemplu, acesta poate avea un spin diferit.
În plus, quarcii se pot combina în perechi - mezoni, constând dintr-un quarc și un antiquarc. Spinul mezonilor ia valori întregi, în timp ce pentru barioni ia valori pe jumătate întregi. Împreună, barionii și mezonii se numesc hadroni.
Quarcii nu au fost găsiți în formă liberă și, conform conceptelor acceptate în prezent, ei pot exista doar sub formă de hadroni. Înainte de descoperirea quarcilor, hadronii erau considerați particule elementare de ceva timp (și numele lor este încă destul de comun în literatură).
Prima indicație experimentală a structurii compozite a hadronilor au fost experimentele privind împrăștierea electronilor de către protoni la acceleratorul liniar din Stanford (SUA), care nu putea fi explicată decât presupunând prezența unor obiecte punctiforme în interiorul protonului.
Curând a devenit clar că aceștia erau quarci, a căror existență a fost presupusă chiar mai devreme de teoreticieni.
Iată un tabel cu particule elementare moderne. Pe lângă șase tipuri de quarci (doar cinci au apărut până acum în experimente, dar teoreticienii sugerează că există și un al șaselea), acest tabel enumeră leptonii - particule cărora le aparține și electronul. În această familie au fost descoperite și muonul și (destul de recent) t-leptonul. Fiecare dintre ele are propriul său neutrin, astfel încât leptonii se împart în mod natural în trei perechi e, n e; m, n m ;t, n t .
Fiecare dintre aceste perechi se combină cu perechea corespunzătoare de quarci într-un cvadruplu, care se numește generație. Proprietățile particulelor se repetă de la o generație la alta, așa cum se poate observa din tabel. Doar masele diferă. A doua generație este mai grea decât prima, iar a treia generație este mai grea decât a doua.
În natură, există în principal particule de prima generație, iar restul sunt create artificial pe acceleratori de particule încărcate sau în timpul interacțiunii razelor cosmice din atmosferă.
În plus față de quarci și leptoni cu spin 1/2, numiți colectiv particule de materie, tabelul listează particulele cu spin 1. Acestea sunt cuantele câmpurilor create de particulele de materie. Dintre acestea, cea mai cunoscută particulă este fotonul, un cuantum al câmpului electromagnetic.
Așa-numiții bosoni intermediari W+ și W- , care au mase foarte mari, au fost descoperite recent în experimente pe tejghea R-fasciuri la energii de câteva sute de GeV. Aceștia sunt purtători de interacțiuni slabe între quarci și leptoni. Și, în sfârșit, gluonii sunt purtători de interacțiuni puternice între quarci. La fel ca quarcii înșiși, gluonii nu se găsesc în formă liberă, ci apar în stadii intermediare ale reacțiilor de creare și anihilare a hadronilor. Recent, au fost detectate jeturi de hadron generate de gluoni. Deoarece toate predicțiile teoriei cuarcilor și gluonilor - cromodinamica cuantică - sunt de acord cu experiența, nu există aproape nicio îndoială cu privire la existența gluonilor.
O particulă cu spin 2 este un graviton. Existența sa provine din teoria gravitației a lui Einstein, principiile mecanicii cuantice și teoria relativității. Va fi extrem de dificil de detectat experimental gravitonul, deoarece interacționează foarte slab cu materia.
În cele din urmă, tabelul cu semn de întrebare arată particule cu spin 0 (H-mezoni) și 3/2 (gravitinos); nu au fost găsite experimental, dar existența lor este presupusă în multe modele teoretice moderne.
Particule elementare
| a învârti | 0? | 1/2 | 1 | 3/2 | 2? | ||||||
| titlu | Particule Higgs | Particule de materie | Câmp cuante | ||||||||
| quarcuri | leptoni | foton | bozoni vectoriali | gluon | gravitino | graviton | |||||
| simbol | H | u | d | ne | e | g | Z | W | g | ||
| (greutate) | (?) | (?) | (0,5) | (0) | (~95 GeV) | (~80 GeV) | (?) | (?) | |||
| simbol | cu | s | nm | m | |||||||
| (greutate) | (0?) | (106) | |||||||||
| simbol | t | b | n t | t | |||||||
| (greutate) | (0?) | (1784) | |||||||||
| sarcină barionică | 0 | 1/3 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Incarcare electrica | 0,±1 | 2/3 | 1/3 | 0 | -1 | 0 | 0 | ±1 | 0 | 0 | 0 |
| Culoare | - | 3 | 3 | - | - | - | - | - | 8 | - | - |
Hadroni - denumirea generală pentru particulele implicate în interacțiuni puternice . Numele provine din cuvântul grecesc care înseamnă „puternic, mare”. Toți hadronii sunt împărțiți în două grupuri mari - mezoni și barioni.
barionii(din cuvântul grecesc care înseamnă „greu”) sunt hadronii cu spin semiîntreg . Cei mai faimoși barioni sunt protonii și neutronii . Barionii includ, de asemenea, un număr de particule cu un număr cuantic, numit odată ciudăţenie. Unitatea de ciudățenie este deținută de barionul lambda (L°) și familia de barioni sigma (S - , S+ și S°). Indicii +, -, 0 indică semnul sarcinii electrice sau neutralitatea particulei. Barionii xy (X - și X°) au două unități de ciudățenie. Baryon W - are o ciudățenie egală cu trei. Masele barionilor enumerați sunt de aproximativ o dată și jumătate față de masa protonului, iar durata lor de viață caracteristică este de aproximativ 10 -10 s. Amintiți-vă că protonul este practic stabil, în timp ce neutronul trăiește mai mult de 15 minute. S-ar părea că barionii mai grei au o durată foarte scurtă, dar la scara microcosmosului, nu este așa. O astfel de particulă, chiar mișcându-se relativ lent, cu o viteză egală, să zicem, cu 10% din viteza luminii, reușește să parcurgă o distanță de câțiva milimetri și să-și lase amprenta în detectorul de particule elementare. Una dintre proprietățile barionilor care îi diferențiază de alte tipuri de particule poate fi considerată prezența unei încărcături de barion conservate. Această valoare a fost introdusă pentru a descrie faptul experimental al constanței în toate procesele cunoscute a diferenței dintre numărul de barioni și antibarioni.
Proton- o particulă stabilă din clasa hadronilor, nucleul unui atom de hidrogen. Este greu de spus ce eveniment ar trebui considerat descoperirea protonului: la urma urmei, ca ion de hidrogen, este cunoscut de mult timp. Crearea modelului planetar al atomului de către E. Rutherford (1911) și descoperirea izotopilor (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) și observarea nucleelor de hidrogen eliminate de alfa particulele din nucleele de azot au jucat un rol în descoperirea protonului (E. Rutherford, 1919). În 1925, P. Blackett a primit primele fotografii cu urme de protoni într-o cameră cu nori (vezi Detectoare de radiații nucleare), confirmând descoperirea transformării artificiale a elementelor. În aceste experimente, particula a a fost capturată de un nucleu de azot, care a emis un proton și s-a transformat într-un izotop de oxigen.
Împreună cu neutronii, protonii formează nucleele atomice ale tuturor elementelor chimice, iar numărul de protoni din nucleu determină numărul atomic al unui element dat. Protonul are o sarcină electrică pozitivă egală cu sarcina elementară, adică valoarea absolută a sarcinii electronului. Acest lucru a fost verificat experimental cu o precizie de 10 -21 . masa de protoni m p \u003d (938,2796 ± 0,0027) MeV sau ~ 1,6-10 -24 g, adică protonul este de 1836 de ori mai greu decât electronul! Din punct de vedere modern, protonul nu este o adevărată particulă elementară: este format din două u-quarci cu sarcini electrice +2/3 (în unităţi de sarcină elementară) şi unu d-quarc cu sarcina electrica -1/3. Quarcii sunt interconectați prin schimbul de alte particule ipotetice - gluoni, cuante ale câmpului care poartă interacțiuni puternice. Datele experimentelor în care au fost luate în considerare procesele de împrăștiere a electronilor de către protoni indică într-adevăr prezența centrelor de împrăștiere punctuali în interiorul protonilor. Aceste experimente sunt într-un anumit sens foarte asemănătoare cu cele ale lui Rutherford, care au dus la descoperirea nucleului atomic. Ca particulă compozită, protonul are o dimensiune finită de ~ 10 -13 cm, deși, desigur, nu poate fi reprezentat ca o bilă solidă. Mai degrabă, protonul seamănă cu un nor cu o limită neclară, constând din particule virtuale care apar și se anihilează.
Protonul, ca toți hadronii, participă la fiecare dintre interacțiunile fundamentale. Asa de. interacțiunile puternice leagă protoni și neutroni în nuclee, interacțiuni electromagnetice - protoni și electroni în atomi. Exemple de interacțiuni slabe sunt dezintegrarea beta a unui neutron sau transformarea intranucleară a unui proton într-un neutron cu emisia unui pozitron și a unui neutrin (pentru un proton liber, un astfel de proces este imposibil datorită legii conservării și conversiei energie, deoarece neutronul are o masă ceva mai mare). Spinul protonului este 1/2. Hadronii cu spin pe jumătate întreg se numesc barioni (din cuvântul grecesc pentru „greu”). Barionii includ protonii, neutronii, diverși hiperoni (L, S, X, W) și o serie de particule cu numere cuantice noi, dintre care majoritatea nu au fost încă descoperite. Pentru a caracteriza barionii, a fost introdus un număr special - sarcina barionică, egală cu 1 pentru barioni, - 1 - pentru antibarioni și O - pentru toate celelalte particule. Sarcina barionică nu este o sursă a câmpului barionic; a fost introdusă doar pentru a descrie regularitățile observate în reacțiile cu particule. Aceste regularități sunt exprimate sub forma legii de conservare a sarcinii barionilor: diferența dintre numărul de barioni și antibarioni din sistem este păstrată în orice reacție. Conservarea sarcinii barionului face imposibilă descompunerea protonului, deoarece este cel mai ușor dintre barioni. Această lege este de natură empirică și, desigur, trebuie testată experimental. Precizia legii de conservare a sarcinii barionului este caracterizată de stabilitatea protonului, estimarea experimentală a cărei durată de viață dă o valoare de cel puțin 1032 de ani.
PARTICILE ELEMENTARE- particule primare, în continuare necompuse, din care se crede că este compusă toată materia. În fizica modernă, termenul „particule elementare” este de obicei folosit pentru a se referi la un grup mare de particule cele mai mici de materie care nu sunt atomi (vezi Atom) sau nuclee atomice (vezi Nucleu atomic); excepția este nucleul atomului de hidrogen – protonul.
Până în anii 80 ai secolului XX, știința cunoșteau peste 500 de particule elementare, dintre care majoritatea sunt instabile. Particulele elementare includ proton (p), neutron (n), electron (e), foton (γ), pi-mezoni (π), muoni (μ), leptoni grei (τ + , τ -), neutrini de trei tipuri - electronice (V e), muon (V μ) și asociate cu așa-numitul depton greu (V τ), precum și particule „ciudate” (K-mezoni și hiperoni), diverse rezonanțe, mezoni cu farmec ascuns, „fermecat”. " particule, particule upsilon (Υ), particule "frumoase", bosoni vectori intermediari etc. A apărut o ramură independentă a fizicii - fizica particulelor elementare.
Istoria fizicii particulelor elementare a început în 1897, când J. J. Thomson a descoperit electronul (vezi Radiația electronică); în 1911, R. Millikan a măsurat mărimea sarcinii sale electrice. Conceptul de „foton” – un cuantum de lumină – a fost introdus de Planck (M. Planck) în 1900. Dovezile experimentale directe ale existenței fotonului au fost obținute de Millikan (1912-1915) și Compton (A. N. Compton, 1922). În procesul de studiu a nucleului atomic, E. Rutherford a descoperit protonul (vezi radiația cu protoni), iar în 1932 Chadwick (J. Chadwick) - neutronul (vezi radiația cu neutroni). În 1953, existența neutrinului, pe care W. Pauli îl prezisese încă din 1930, a fost dovedită experimental.
Particulele elementare sunt împărțite în trei grupe. Prima este reprezentată de o singură particulă elementară - un foton, un cuantum γ sau un cuantum de radiație electromagnetică. Al doilea grup este leptonii (greacă leptos mic, ușor), participând, pe lângă electromagnetice, și la interacțiuni slabe. Sunt cunoscuți șase leptoni: electronul și neutrinul electron, muonul și neutrinul muon, τ-leptonul greu și neutrinul corespunzător. Al treilea - grupul principal de particule elementare sunt hadronii (hadroi grecești mari, puternici), care participă la toate tipurile de interacțiuni, inclusiv interacțiuni puternice (vezi mai jos). Hadronii includ particule de două tipuri: barioni (greacă barys grea) - particule cu un spin semiîntreg și o masă nu mai mică decât masa unui proton și mezoni (mesos mediu grecesc) - particule cu spin zero sau întreg (vezi Electron). rezonanță paramagnetică). Barionii includ protoni și neutroni, hiperoni, o parte din rezonanțe și particule „vrăjite” și câteva alte particule elementare. Singurul barion stabil este protonul, restul barionilor sunt instabili (neutronul în stare liberă este o particulă instabilă, dar în stare legată în interiorul nucleelor atomice stabile este stabil. Mezonii și-au primit numele deoarece masele primului mezonii descoperiți - pi-mezonul și K-mezonul - au avut valori intermediare între masele unui proton și ale unui electron. Ulterior, au fost descoperiți mezoni, a căror masă depășește masa unui proton. Hadronii se caracterizează și prin ciudățenie (S) - număr cuantic zero, pozitiv sau negativ. Hadronii cu ciudățenie zero sunt numiți obișnuiți, iar cu S ≠ 0 - ciudat G. Zweig și M. Gell-Mann au propus în mod independent structura cuarci a hadronilor în 1964. Rezultatele lui o serie de experimente indică faptul că quarcii sunt formațiuni materiale reale în interiorul hadronilor.au o serie de proprietăți neobișnuite, de exemplu, o sarcină electrică fracțională etc. În starea liberă, quarcii nu sunt observați dacă. Se crede că toți hadronii sunt formați din cauza diferitelor combinații de quarci.
Inițial, particulele elementare au fost investigate în studiul dezintegrarii radioactive (vezi Radioactivitate) și al radiațiilor cosmice (vezi). Cu toate acestea, începând cu anii 50 ai secolului al XX-lea, cercetările asupra particulelor elementare au fost efectuate pe acceleratoarele de particule încărcate (vezi), în care particulele accelerate bombardează o țintă sau se ciocnesc cu particulele care zboară către. În acest caz, particulele interacționează între ele, în urma căreia are loc transformarea lor reciprocă. Așa au fost descoperite majoritatea particulelor elementare.
Fiecare particulă elementară, împreună cu specificul interacțiunilor sale inerente, este descrisă de un set de valori discrete ale anumitor mărimi fizice exprimate ca numere întregi sau fracționale (numere cuantice). Caracteristicile comune ale tuturor particulelor elementare sunt masa (m), durata de viață (t), spin (J) - momentul adecvat al impulsului particulelor elementare, care are o natură cuantică și nu este asociat cu mișcarea particulei în ansamblu. , sarcina electrică (Ω) și momentul magnetic ( µ). Sarcinile electrice ale particulelor elementare studiate în valoare absolută sunt multipli întregi ai sarcinii electronilor (e≈1,6*10 -10 k). Particulele elementare cunoscute au sarcini electrice egale cu 0, ±1 și ±2.
Toate particulele elementare au antiparticule corespunzătoare, a căror masă și spin sunt egale cu masa și spin-ul particulei, iar sarcina electrică, momentul magnetic și alte caracteristici sunt egale în valoare absolută și în semn opus. De exemplu, antiparticula unui electron este un pozitron - un electron cu o sarcină electrică pozitivă. O particulă elementară, identică cu antiparticula ei, este numită cu adevărat neutră, de exemplu, un neutron și un antineutron, un neutrin și un antineutrin etc. Când antiparticulele interacționează între ele, se anihilează (vezi).
Când o particulă elementară intră în mediul material, ea interacționează cu aceasta. Există interacțiuni puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Interacțiunea puternică (mai puternică decât electromagnetică) are loc între particulele elementare situate la o distanță mai mică de 10 -15 m (1 fermi). La distanțe mai mari de 1,5 fermi, forța de interacțiune dintre particule este aproape de zero. Interacțiunile puternice dintre particulele elementare sunt cele care asigură rezistența excepțională a nucleelor atomice, care stă la baza stabilității materiei în condiții terestre. O trăsătură caracteristică a interacțiunii puternice este independența acesteia față de sarcina electrică. Hadronii sunt capabili de o interacțiune puternică. Interacțiunile puternice provoacă dezintegrarea particulelor de scurtă durată (durata de viață de ordinul a 10 -23 - 10 -24 sec.), care se numesc rezonanțe.
Toate particulele elementare încărcate, fotonii și particulele neutre care au un moment magnetic (de exemplu, neutronii) sunt supuse interacțiunii electromagnetice. În centrul interacțiunilor electromagnetice se află legătura cu câmpul electromagnetic. Forțele interacțiunii electromagnetice sunt de aproximativ 100 de ori mai slabe decât forțele interacțiunii puternice. Scopul principal al interacțiunii electromagnetice sunt atomii și moleculele (vezi Moleculă). Această interacțiune determină structura solidelor, natura substanței chimice. proceselor. Nu este limitat de distanța dintre particulele elementare, prin urmare dimensiunea unui atom este de aproximativ 10 4 ori mai mare decât dimensiunea nucleului atomic.
Interacțiunile slabe stau la baza proceselor extrem de lente care implică particule elementare. De exemplu, neutrinii cu interacțiuni slabe pot pătrunde liber în grosimea Pământului și a Soarelui. Interacțiunile slabe provoacă, de asemenea, dezintegrari lente ale așa-numitelor particule elementare cvasi-stabile, a căror durată de viață este în intervalul 108 - 10 -10 sec. Particulele elementare născute la interacțiune puternică (în 10 -23 -10 -24 sec.), dar care se descompun lent (10 -10 sec.), sunt numite ciudate.
Interacțiunile gravitaționale dintre particulele elementare dau efecte extrem de mici datorită neglijabilității maselor de particule. Acest tip de interacțiune a fost bine studiat pe macroobiecte cu o masă mare.
Varietatea particulelor elementare cu diferite caracteristici fizice explică dificultatea sistematizării lor. Dintre toate particulele elementare, doar fotonii, electronii, neutrinii, protonii și antiparticulele lor sunt de fapt stabile, deoarece au o durată de viață lungă. Aceste particule sunt produsele finale ale transformării spontane a altor particule elementare. Nașterea particulelor elementare poate avea loc ca urmare a primelor trei tipuri de interacțiuni. Pentru particulele care interacționează puternic, reacțiile de interacțiune puternică sunt sursa de producție. Leptonii, cel mai probabil, provin din dezintegrarea altor particule elementare sau se nasc în perechi (particulă + antiparticulă) sub influența fotonilor.
Fluxurile de particule elementare formează radiațiile ionizante (vezi), provocând ionizarea moleculelor neutre ale mediului. Efectul biologic al particulelor elementare este asociat cu formarea de substanțe cu activitate chimică ridicată în țesuturile și fluidele corporale iradiate. Aceste substanțe includ radicali liberi (vezi Radicali liberi), peroxizi (vezi) și altele. Particulele elementare pot avea, de asemenea, un efect direct asupra biomoleculelor și structurilor supramoleculare, pot provoca ruperea legăturilor intramoleculare, depolimerizarea compușilor macromoleculari etc. Procesele de migrare a energiei și formarea de compuși metastabili rezultând din păstrarea pe termen lung a stării de excitaţie în unele substraturi macromoleculare. În celule, activitatea sistemelor enzimatice este suprimată sau pervertită, structura membranelor celulare și a receptorilor celulari de suprafață se modifică, ceea ce duce la o creștere a permeabilității membranei și o modificare a proceselor de difuzie, însoțită de fenomene de denaturare a proteinelor, deshidratare a țesuturilor, și perturbarea mediului intern al celulei. Susceptibilitatea celulelor depinde în mare măsură de intensitatea diviziunii lor mitotice (vezi Mitoză) și de metabolism: odată cu creșterea acestei intensități, radiosusceptibilitatea țesuturilor crește (vezi Radiosensibilitate). Pe această proprietate a fluxurilor de particule elementare - radiații ionizante - se bazează utilizarea lor pentru radioterapie (vezi), în special în tratamentul neoplasmelor maligne. Puterea de penetrare a particulelor elementare încărcate depinde în mare măsură de transferul liniar de energie (vezi), adică de energia medie absorbită de mediu în punctul de trecere al unei particule încărcate, raportată la unitatea de drum al acesteia.
Efectul dăunător al fluxului de particule elementare afectează în special celulele stem ale țesutului hematopoietic, epiteliul testiculelor, intestinul subțire și pielea (vezi Boala de radiații, Deteriorarea radiațiilor). În primul rând, sunt afectate sistemele care se află într-o stare de organogeneză activă și diferențiere în timpul iradierii (vezi Organul critic).
Efectul biologic și terapeutic al particulelor elementare depinde de tipul și doza lor de radiație (vezi Doze de radiații ionizante). Deci, de exemplu, atunci când este expus la raze X (vezi Terapia cu raze X), radiațiile gamma (vezi Terapia gamma) și radiațiile cu protoni (vezi Terapia cu protoni) pe întregul corp uman la o doză de aproximativ 100 rad, o schimbare temporară în hematopoieză se observă; expunerea externă la radiația neutronică (a se vedea radiația neutronică) duce la formarea diferitelor substanțe radioactive în organism, de exemplu, radionuclizi de sodiu, fosfor etc. Când intră radionuclizi care sunt surse de particule beta (electroni sau pozitroni) sau cuante gamma. organismului, aceasta se întâmplă numită iradiere internă a corpului (vezi Încorporarea substanțelor radioactive). Mai ales periculoase în acest sens sunt radionuclizii cu resorbție rapidă, cu o distribuție uniformă în organism, de exemplu. tritiu (3H) și poloniu-210.
Radionuclizii care sunt surse de particule elementare și care participă la un metabolism se folosesc în diagnosticarea radioizotopilor (vezi).
Bibliografie: Akhiezer A. I. și Rekalo M. P. Biografia particulelor elementare, Kiev, 1983, bibliogr.; Bogolyubov N. N. și Shirokov D. V. Câmpuri cuantice, Moscova, 1980; Născut M. Fizică atomică, trad. din engleză, M., 1965; Jones X. Fizica radiologiei, trad. din engleză M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. și Frolova A. V. Bazele fizice ale dozimetriei clinice, M., 1969; Radioterapia folosind radiații de înaltă energie, ed. I. Becker și G. Schubert, trad. din germană., M., 1964; Tyubiana M. et al. Fundamentele fizice ale radioterapiei și radiobiologiei, trad. din franceză, Moscova, 1969; Shpolsky E. V. Fizica atomică, vol. 1, M., 1984; Yang Ch. Particule elementare, trans. din engleză. M., 1963.
R. V. Stavntsky.
Particule elementare, în sens restrâns - particule care nu pot fi considerate ca fiind formate din alte particule. În fizica modernă, termenul „ particule elementare„ este folosit într-un sens mai larg: acesta este numele dat celor mai mici particule de materie, cu condiția ca nici ele să nu fie atomi (protonul este o excepție); uneori din acest motiv particule elementare se numesc particule subnucleare. Majoritatea acestor particule (mai mult de 350 sunt cunoscute) sunt sisteme compozite.
Particule elementare participa la interacțiuni electromagnetice, slabe, puternice și gravitaționale. Din cauza maselor mici particule elementare interacțiunea lor gravitațională nu este de obicei luată în considerare. Toate particule elementareîmpărțite în trei grupe principale. Primul este așa-numiții bosoni - purtători ai interacțiunii electroslăbite. Aceasta include fotonul sau cuantumul radiației electromagnetice. Masa în repaus a unui foton este egală cu zero, prin urmare viteza de propagare a undelor electromagnetice în (inclusiv undele luminoase) este viteza limită de propagare a unui efect fizic și este una dintre constantele fizice fundamentale; a acceptat asta cu= (299792458±1,2) m/s.
A doua grupă particule elementare- leptonii care participă la interacțiuni electromagnetice și slabe. Există 6 leptoni cunoscuți: , neutrin electronic, muon, neutrin muon, τ-lepton greu și neutrinul corespunzător. Electronul (simbolul e) este considerat a fi purtătorul material al celei mai mici mase din natură m e , egal cu 9,1 × 10 -28 g (în unități de energie ≈0,511 MeV) și cea mai mică sarcină electrică negativă e\u003d 1,6 × 10 -19 C. Muonii (simbolul μ -) sunt particule cu o masă de aproximativ 207 mase de electroni (105,7 MeV) și o sarcină electrică egală cu cea a unui electron; leptonul τ greu are o masă de aproximativ 1,8 GeV. Cele trei tipuri de neutrini care corespund acestor particule sunt electronice (simbol ν
e), muonul (simbolul ν μ) și τ-neutrino (simbolul ν τ) sunt particule ușoare (posibil fără masă) neutre din punct de vedere electric.
Fiecare dintre leptoni îi corespunde , care are aceleași valori de masă, spin și alte caracteristici, dar diferă în semnul sarcinii electrice. Există (simbolul e +) - o antiparticulă în raport cu , încărcată pozitiv (simbolul μ +) și trei tipuri de antineutrini (simboluri ), cărora li se atribuie semnul opus al unui număr cuantic special numit sarcină leptonică (vezi mai jos).
Al treilea grup de particule elementare - hadronii, ei participă la interacțiuni puternice, slabe și electromagnetice. Hadronii sunt particule „grele” cu o masă mult mai mare decât masa unui electron. Acesta este cel mai mare grup particule elementare. Hadronii sunt împărțiți în barioni - particule cu spin ½ћ, mezoni - particule cu spin întreg (0 sau 1); precum și așa-numitele rezonanțe – stări excitate de scurtă durată ale hadronilor. Barionii includ un proton (simbol p) - nucleul unui atom de hidrogen cu o masă de ~ 1836 de ori mai mare decât m e și egal cu 1,672648 × 10 -24 g (≈938,3 MeV) și o sarcină electrică pozitivă egală cu sarcina unui neutron (simbol n) - o particulă neutră din punct de vedere electric, a cărei masă depășește puțin masa unui proton. Totul este construit din protoni și neutroni, interacțiunea puternică este cea care determină legătura acestor particule între ele. Într-o interacțiune puternică, un proton și un neutron au aceleași proprietăți și sunt considerate ca două stări cuantice ale unei particule - un nucleon cu spin izotopic ½ћ (vezi mai jos). Barionii includ și hiperonii - particule elementare cu o masă mai mare decât cea a nucleonului: Λ-hyperon are o masă de 1116 MeV, Σ-hyperon - 1190 MeV, Θ-hyperon - 1320 MeV, Ω-hyperon - 1670 MeV. Mezonii au mase intermediare între masele unui proton și ale unui electron (mezon π, K-mezon). Există mezoni neutri și încărcați (cu sarcină electrică elementară pozitivă și negativă). Toți mezonii sunt clasificați ca bosoni în funcție de proprietățile lor statistice.
Proprietățile de bază ale particulelor elementare
Fiecare particulă elementară este descrisă de un set de valori discrete ale mărimilor fizice (numerele cuantice). Caracteristicile generale ale tuturor particule elementare- masa, durata de viata, spin, sarcina electrica.
În funcție de durata de viață particule elementare sunt împărțite în stabile, cvasi-stabile și instabile (rezonanțe). Stabili (în limitele preciziei măsurătorilor moderne) sunt: electronii (durată de viață mai mare de 5 × 10 21 ani), protonii (mai mult de 10 31 ani), fotonii și neutrinii. Particulele cvasi-stabile includ particule care se degradează din cauza interacțiunilor electromagnetice și slabe, durata lor de viață este mai mare de 10 -20 s. Rezonanțele se degradează datorită interacțiunii puternice, durata lor de viață caracteristică este de 10 -22 - 10 -24 s.
Caracteristici interne (numere cuantice) particule elementare sunt leptoni (simbol L) și barionică (simbol LA) taxe; aceste numere sunt considerate a fi cantități strict conservate pentru toate tipurile de interacțiuni fundamentale. Pentru leptonice și antiparticulele lor L au semne opuse; pentru barioni LA= 1, pentru antiparticulele corespunzătoare LA=-1.
Hadronii se caracterizează prin prezența unor numere cuantice speciale: „ciudățenie”, „farmec”, „frumusețe”. Hadroni obișnuiți (ne-ciudați) - protoni, neutroni, π-mezoni. În cadrul diferitelor grupuri de hadroni, există familii de particule cu mase similare și proprietăți similare în ceea ce privește interacțiunea puternică, dar cu sarcini electrice diferite; cel mai simplu exemplu este protonul și neutronul. Numărul cuantic total pentru astfel de particule elementare- așa-numitul spin izotopic, care, ca și spinul obișnuit, ia valori întregi și semiîntregi. Caracteristicile speciale ale hadronilor includ paritatea internă, care ia valorile ±1.
Proprietate importantă particule elementare- capacitatea lor de a se transforma reciproc ca urmare a interacțiunilor electromagnetice sau de altă natură. Unul dintre tipurile de transformări reciproce este așa-numita naștere a unei perechi sau formarea simultană a unei particule și a unei antiparticule (în cazul general, formarea unei perechi). particule elementare cu sarcini leptone sau barionice opuse). Procesele posibile sunt crearea de perechi electron-pozitron e - e +, perechi de muoni μ + μ - noi particule grele în ciocnirile leptonilor, formarea de quarci cc- și bb-state (vezi mai jos). Un alt tip de schimb particule elementare- anihilarea unei perechi în timpul ciocnirilor de particule cu formarea unui număr finit de fotoni (γ-quanta). De obicei, 2 fotoni sunt produși când spinul total al particulelor care se ciocnesc este zero și 3 fotoni sunt produși când spinul total este egal cu 1 (manifestarea legii de conservare a parității sarcinii).
În anumite condiții, în special la o viteză mică de ciocnire a particulelor, este posibilă formarea unui sistem legat - pozitroniu e - e + și muonium μ + e - . Aceste sisteme instabile sunt adesea denumite asemănătoare hidrogenului. Durata lor de viață în materie depinde în mare măsură de proprietățile materiei, ceea ce face posibilă utilizarea atomilor asemănătoare hidrogenului pentru a studia structura materiei condensate și cinetica reacțiilor chimice rapide (vezi Chimia Meson, Chimia nucleară).
Modelul cuarc al hadronilor
O analiză detaliată a numerelor cuantice de hadroni în scopul clasificării lor a condus la concluzia că hadronii ciudați și hadronii obișnuiți formează împreună asociații de particule cu proprietăți similare, numite multiplete unitare. Numărul de particule incluse în ele este 8 (octet) și 10 (decuplet). Particulele care alcătuiesc multipletul unitar au aceeași paritate internă, dar diferă prin valorile sarcinii electrice (particule ale multipletului izotopic) și ciudățenie. Proprietățile de simetrie sunt asociate cu grupuri unitare, descoperirea lor a stat la baza concluziei despre existența unităților structurale speciale din care sunt construite hadronii - quarci. Se crede că hadronii sunt combinații de 3 particule fundamentale cu spin ½: n-quarci, d-quarci și s-cuarcuri. Deci, mezonii sunt formați dintr-un quarc și un antiquarc, barionii sunt formați din 3 quarci.
Presupunerea că hadronii sunt formați din 3 quarci a fost făcută în 1964 (de J. Zweig și independent de M. Gell-Man). Ulterior, în modelul structurii hadronului au fost incluși încă doi quarci (în special, pentru a evita o contradicție cu principiul Pauli) - quarcul „fermecat” ( cu) si frumos" ( b), precum și introducerea unor caracteristici speciale ale quarcilor - „aromă” și „culoare”. Quarcii care acționează ca componente ale hadronilor nu au fost observați în stare liberă. Întreaga varietate de hadroni se datorează diferitelor combinații n-, d-, s-, cu- și b-quarci care formează stări legate. Hadronii obișnuiți (protoni, neutroni, π-mezoni) corespund stărilor legate construite din n- și d-cuarcuri. Prezența în hadron, împreună cu n- și d-quarci de unul s-, cu- sau b-quark înseamnă că hadronul corespunzător este „ciudat”, „fermecat” sau „frumos”.
Modelul cuarc al structurii hadronilor a fost confirmat ca urmare a experimentelor efectuate la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970. Secolului 20 Quarcii au început de fapt să fie considerați noi particule elementare- Adevărat particule elementare pentru forma hadronică a materiei. Neobservabilitatea quarcilor liberi, aparent, este de natură fundamentală și dă motive să presupunem că aceștia sunt acele particule elementare, care completează lanțul constituenților structurali ai materiei. Există argumente teoretice și experimentale în favoarea faptului că forțele care acționează între quarci nu slăbesc cu distanța, i.e. pentru a separa quarcii unul de celălalt, este necesară o energie infinit de mare sau, cu alte cuvinte, apariția quarcilor în stare liberă este imposibilă. Acest lucru le face un tip complet nou de unități structurale ale materiei. Este posibil ca quarcii să acționeze ca ultimul pas în fragmentarea materiei.
Scurte informații istorice
Prima deschidere particulă elementară a existat un electron - un purtător al unei sarcini electrice negative în atomi (J.J. Thomson, 1897). În 1919, E. Rutherford a descoperit protoni printre particulele scoase din nucleele atomice. Neutronii au fost descoperiți în 1932 de J. Chadwick. În 1905, A. Einstein a postulat că radiația electromagnetică este un flux de cuante individuale (fotoni) și, pe această bază, a explicat modelele efectului fotoelectric. existența ca un special particulă elementară propus pentru prima dată de W. Pauli (1930); electronic
Particule elementare
Este firesc să începem examinarea structurii materiei din cele „mai mici” unități structurale, a căror existență a fost stabilită acum. Astfel de particule sunt numite elementare, ca fiind mai indivizibile (structura lor nu este detectată) și ca fundamentale, din care este compusă materia.
Clasificarea particulelor elementare. Particulele care participă la interacțiunea puternică constituie familia hadronilor. Aceștia sunt barioni (protoni R, neutron n), hiperoni (λ, Σ etc.), mezoni (π-; k-), precum și un grup mare de așa-numitele particule rezonante (rezonanțe). Barionii au spinuri întregi pe jumătate, mezonii au spinuri întregi. Barionii se deosebesc de mezoni prin așa-numita sarcină barionică, în legătură cu care transformarea barionilor în mezoni este interzisă de legea conservării încărcăturii barionice. Aceasta este o proprietate importantă care asigură stabilitatea nucleelor și, în consecință, a întregii lumi înconjurătoare. Într-adevăr, dacă nucleonii care sunt barioni (protoni și neutroni) s-ar putea transforma în mezoni, atunci nucleii atomici s-ar descompune în cele din urmă. Hadronii nu sunt cu adevărat particule elementare, adică au o structură internă. Aceasta explică, în special, instabilitatea majorității hadronilor.
Astăzi, existența unor particule fără structură cu adevărat fundamentale care formează hadronii poate fi considerată dovedită. Aceste particule sunt numite quarci (Gell-Mann, Zweig, 1963). Nu au fost încă detectate experimental, probabil fluxuri care nu există separat, adică în stare liberă. Se știe că sarcina quarcilor este multiplu de 1/3 e, iar rotația este 1/2. Se presupune că există șase tipuri de quarci, care se disting printr-o caracteristică numită „aromă” (sus, jos, farmec, ciudat, adevărat, drăguț); fiecare quark este, de asemenea, caracterizat de un anumit număr cuantic - „culoare” (roșu, verde, albastru). Toți barionii constau din trei quarci (un proton, de exemplu, din primii doi cu sarcină +2/3 e iar unul mai jos cu încărcare - 1/Z e). Conform „culorii”, trio-ul de quarci este „selectat” astfel încât protonul să fie „alb”. Mezonii sunt formați dintr-un cuarc și un antiquarc.
Toate celelalte particule (cu excepția fotonului) care nu participă la interacțiuni puternice se numesc leptoni. Familia leptonilor este reprezentată de șase particule fără structură („punct”): electron e, muon μ, tau-lepton (taon) τ și neutrini corespunzători acestor particule ( v e, v μ , v τ).
Conform principiului simetriei quarc-lepton, fiecărui lepton îi corespunde un anumit quarc (Tabelul 5.2).
Tabelul 5.2.
Astfel, quarkurile și leptonii de astăzi, împreună cu particulele-purtători de interacțiuni, sunt considerate a fi cu adevărat particule elementare (fundamentale). Din leptoni și quarci din prima generație, împreună cu fotoni, este construit Universul modern. Se crede că particulele din a doua și a treia generație au jucat un rol important în Universul timpuriu, în primele momente ale Big Bang-ului, în timp ce diferența dintre quarci și leptoni nu a existat.
Principalele caracteristici ale particulelor elementare. Una dintre cele mai importante caracteristici ale particulelor elementare este stabilitatea, adică capacitatea de a fi într-o stare liberă pentru un anumit timp (durată de viață). Dintre particulele detectate experimental, doar câteva sunt stabile. Un proton, un electron, un foton și, după cum se crede, neutrini de toate tipurile pot exista la infinit în stare liberă. Toate celelalte particule, tinzând să treacă într-o stare cu o energie minimă, se degradează mai mult sau mai puțin rapid, atingând o stare finală stabilă. Cea mai scurtă durată de viață (~10 -23 s) este pentru particulele rezonante. Un neutron în stare liberă există timp de ~10 3 s. În familia leptonilor, muonul „trăiește” ~10-6 s, taonul ~10-12 s.
Se presupune că particulele elementare de scurtă durată din natură joacă un rol decisiv în condiții extreme, de exemplu, similare cu etapele inițiale ale formării Universului.
masele de odihnă particulele elementare stabile au următoarele semnificații: proton m p ≈ 1,67 10 -27 kg, electron m e ≈ 0,91 10 -30 kg. Fotonii și toate tipurile de neutrini au masă de repaus zero.
De regulă, masele particulelor elementare sunt exprimate în unități de energie - electron volți. Apoi m p ≈938,3×10 6 eV = 938,3 MeV, m e ≈ 0,51 MeV.
Particulele elementare au o sarcină electrică +e sau -e sau sunt neutre din punct de vedere electric.
Sarcina electronilor e egal cu - 1,6 10 -19 C.
Una dintre cele mai importante caracteristici ale particulelor elementare este spinul. Valoarea spinului determină tipul funcției de undă (simetrică sau antisimetrică) și tipul statisticilor (adică legea care descrie comportamentul unui grup de microparticule). Particulele cu spin zero sau întreg (fotoni, π-mezoni etc.) se supun statisticilor Bose-Einstein și se numesc bosoni. Particulele cu spin semiîntreg (electroni, protoni, neutroni) se supun statisticilor Fermi-Dirac și se numesc fermioni. Fermionii fundamentali sunt leptonii și quarcii. Fermionii se supun principiului Pauli, conform căruia, în orice sistem de fermioni identici, doi dintre ei nu pot fi simultan în aceeași stare. Așa cum este aplicat distribuției electronilor într-un atom, principiul Pauli afirmă; că în același atom nu poate exista mai mult de un electron cu același set de patru numere cuantice n,l,mși σ .
Principiul Pauli se bazează pe indistinguirea particulelor cuantice identice. Când doi fermioni sunt interschimbați, funcția de undă trebuie să își schimbe semnul. Cu toate acestea, dacă stările a doi fermioni (adică seturile lor de numere cuantice) sunt aceleași, atunci funcția ψ nu ar trebui să-și schimbe semnul. Această contradicție este eliminată formal doar atunci când ψ=0, ceea ce înseamnă imposibilitatea (probabilitatea zero) de a găsi o particulă într-o astfel de stare.
Antiparticule. Pentru fiecare particulă elementară cunoscută există o așa-numită antiparticulă. Masele, duratele de viață și rotațiile particulei și antiparticulei sunt aceleași. Alte caracteristici, de exemplu, sarcina electrică, momentul magnetic, sunt egale în valoare absolută, dar opuse în semn. Astfel de perechi sunt, de exemplu, protonul Rși antiproton, electron - și antielectron e+ (adică pozitron e+). Unele particule, cum ar fi fotonul, sunt identice cu antiparticulele lor.
Antiparticulele se nasc în reacții nucleare la energii suficient de mari, dar durata lor de viață este scurtă în materie. Când o particulă întâlnește o antiparticulă, are loc anihilarea. Masa și energia cinetică a perechii „particulă-antiparticulă” sunt convertite în energia fotonilor sau a altor particule. De exemplu, atunci când un electron și un pozitron se anihilează, doi fotoni sunt eliberați:
e - + e+ → 2γ.
La rândul lor, fotonii se pot transforma în perechi electron-pozitron. În astfel de reacții, se manifestă în mod clar absența unei linii clare între câmp și materie, care este caracteristică tabloului clasic al lumii.
Nuclee atomice
Următorul în ierarhia considerată a obiectelor Naturii este nucleul atomic. Nucleul este un sistem conectat de două tipuri de hadroni - protoni și neutroni, care în acest caz sunt uniți prin denumirea comună „nucleoni”. Protonul este nucleul celui mai simplu atom, atomul de hidrogen. Are o sarcină pozitivă, egală numeric cu sarcina unui electron. Neutronul este neutru din punct de vedere electric. Masa neutronilor m n \u003d 1,6750 10 -27 kg. Numărul de protoni din nucleul unui atom se numește număr atomic ( Z), iar numărul total de nucleoni este numărul de masă ( DAR). Sarcina nucleară este pozitivă și egală cu Z · e. Majoritatea nucleelor atomice sunt reprezentate de grupuri de izotopi. Încărca Zîn fiecare grup de izotopi este constant, dar numărul de neutroni este diferit. Există izotopi stabili, cu viață lungă și radioactivi. Cauzele instabilității radioactive sunt asociate cu lipsa sau excesul de neutroni în interiorul nucleului.
Dimensiunea miezului este caracterizată condiționat de rază R miezuri. Raza crește cu numărul de nucleoni conform formulei , unde R 0 = (1,3 ..., 1,7) · 10 -15 m. Densitatea de „ambalare” a nucleonilor în nucleu este foarte mare și se ridică la ~10 44 nucleoni/m 3 sau 10 17 kg/m 3 .
După cum sa menționat deja, stabilitatea nucleului se explică prin prezența unei interacțiuni puternice sau a forțelor nucleare de atracție a forțelor de atracție. Energia necesară pentru a menține nucleonii în nucleu, în conformitate cu legea conservării energiei, este determinată de munca care trebuie făcută pentru a împărți nucleul în nucleoni constituenți. Această energie se numește energia de legare a nucleului. Energia de legare se manifestă ca o scădere a masei nucleului în timpul formării lui în comparație cu masa totală a nucleonilor care alcătuiesc nucleul:
Valoarea Δ m se numește defect de masă. Energia de legare este definită ca
De obicei, nucleul este caracterizat de energia de legare specifică, adică energia per nucleon. Pe fig. 5.3 arată dependența energiei specifice de legare de numărul de masă DAR care caracterizează puterea de legătură a nucleonilor din nucleele diferitelor elemente chimice. După cum reiese din grafic, legăturile nucleelor elementelor cu numere de masă (28 ... 138) sunt cele mai puternice. Pe măsură ce cresc DAR energia de legătură scade. Scăderea puterii nucleelor se explică prin faptul că în nucleele ușoare legăturile nucleonilor nu sunt saturate, iar în nucleele grele repulsia coulombiană a protonilor unul de celălalt începe să afecteze.
Din fig. 5.3 arată, de asemenea, că procesele de formare a nucleelor mai stabile (adică, caracterizate prin valori mari ale Δ E SW sunt însoțite de eliberarea de energie. Astfel, reacția de fuziune a nucleelor ușoare cu formarea celor mai grele (săgeata 1 din Fig. 5.3) și reacțiile de fisiune ale nucleelor grele (săgeata 2 din Fig. 5.3) sunt promițătoare din punct de vedere al energiei.
Această problemă este discutată în detaliu în partea a doua a cursului.
Reacții nucleare. Radioactivitate. Reacțiile nucleare sunt procese în care nucleele unor elemente sunt obținute din nucleele altor elemente. Aceste procese pot apărea atât ca urmare a influențelor externe (de exemplu, „coliziuni ale nucleului cu alte particule”), cât și spontan, spontan (creștere radioactivă).
Reacțiile nucleare sunt scrise ca și reacțiile chimice. De exemplu, ca rezultat al reacției de fisiune a unui nucleu de uraniu într-o coliziune cu un neutron, se formează nuclee de cesiu și rubidiu și doi neutroni:
Iradierea nucleului cu neutroni este cel mai adesea folosită pentru a efectua reacții nucleare. Faptul este că un neutron neutru din punct de vedere electric nu experimentează repulsia coulombiană a protonilor nucleului și pătrunde ușor în el. Sub acțiunea iradierii cu neutroni de înaltă energie (>100 MeV), toate nucleele sunt împărțite.
Neutronii eliberați în reacțiile de descompunere pot provoca fisiunea altor nuclee, din cauza căreia are loc o reacție în lanț - un proces asemănător avalanșei, de exemplu, explozia unei bombe atomice. O parte din neutroni poate fi îndepărtată din materialul fisionabil, apoi reacția de fisiune poate fi controlată. Absorbția neutronilor în tijele de grafit este utilizată în reactoarele nucleare.
Dezintegrarea spontană a nucleelor cu emisia de diferite particule se numește radioactivitate. În orice dezintegrare radioactivă, masa nucleului inițial depășește masa unitară a produselor tăiate, adică. energia este eliberată. Radioactivitatea naturală a fost descoperită de A. Bskkerel (1896), iar artificială - de către soții Joliot-Curie (1936). Principalele tipuri de radioactivitate sunt descompunerile alfa, beta și gama.
Dezintegrarea alfa constă în emisia spontană a unei particule ci de către nucleu (adică nucleul de heliu). Dezintegrarea alfa este observată numai în nucleele grele cu Z ≥ 82.
În timpul dezintegrarii beta, nucleul emite un electron și un electron antineutrin (sau un pozitron și un electron neutrin):
Dezintegrarea beta se datorează transformării nucleonilor cauzată de interacțiunea slabă, de exemplu, în prima dintre reacțiile înregistrate, transformarea unui neutron are loc conform schemei
Dezintegrarea gamma constă în emisia de fotoni de înaltă energie (γ-quanta) de către nucleu. Nucleul, fiind un sistem cuantic, poate fi în stări cu energii diferite. În timpul tranzițiilor de la stările de energie excitată la sol, neexcitate, nucleele emit γ-quanta. În acest caz, nici numărul de masă A și nici numărul atomic al nucleului Z nu schimba.
