Slovo atóm znamená „nedeliteľný“. Zaviedli ho grécki filozofi na označenie najmenších častíc, z ktorých podľa ich predstavy pozostáva hmota.
Fyzici a chemici devätnásteho storočia prijali termín pre najmenšie častice, ktoré poznajú. Atómy sme síce mohli „rozdeľovať“ už dávno a nedeliteľné prestalo byť nedeliteľné, no napriek tomu sa tento pojem zachoval. Podľa našej súčasnej predstavy sa atóm skladá z najmenších častíc, ktoré nazývame elementárne častice. Existujú aj iné elementárne častice, ktoré v skutočnosti nie sú zložkou atómov. Zvyčajne sa vyrábajú pomocou výkonných cyklotrónov, synchrotrónov a iných urýchľovačov častíc špeciálne navrhnutých na štúdium týchto častíc. Vznikajú aj pri prechode kozmického žiarenia atmosférou. Tieto elementárne častice sa rozpadajú po niekoľkých milióntinach sekundy a často v ešte kratšom čase po ich objavení. V dôsledku rozpadu sa buď menia, menia sa na iné elementárne častice, alebo uvoľňujú energiu vo forme žiarenia.
Štúdium elementárnych častíc sa zameriava na neustále rastúci počet elementárnych častíc s krátkou životnosťou. Tento problém je síce veľmi dôležitý najmä preto, že súvisí s najzákladnejšími fyzikálnymi zákonmi, no napriek tomu sa skúmanie častíc v súčasnosti uskutočňuje takmer izolovane od ostatných odvetví fyziky. Z tohto dôvodu sa obmedzíme na zváženie len tých častíc, ktoré sú trvalými zložkami najbežnejších materiálov, ako aj niektorých častíc, ktoré sú im veľmi blízke. Prvou z elementárnych častíc objavených na konci devätnásteho storočia bol elektrón, ktorý sa vtedy stal mimoriadne užitočným sluhom. V rádiových trubiciach sa tok elektrónov pohybuje vo vákuu; a práve úpravou tohto toku sa prichádzajúce rádiové signály zosilňujú a premieňajú na zvuk alebo šum. V televíznom prijímači slúži elektrónový lúč ako pero, ktoré okamžite a presne kopíruje na obrazovke prijímača to, čo vidí kamera vysielača. V oboch týchto prípadoch sa elektróny pohybujú vo vákuu, takže pokiaľ je to možné, nič nebráni ich pohybu. Ďalšou užitočnou vlastnosťou je ich schopnosť pri prechode plynom žiariť. Tým, že necháme elektróny prejsť sklenenou trubicou naplnenou plynom pri určitom tlaku, využijeme tento jav na produkciu neónového svetla, ktoré sa v noci používa na osvetlenie veľkých miest. A tu je ďalšie stretnutie s elektrónmi: blýskalo sa a myriady elektrónov, ktoré prerazili hrúbku vzduchu, vytvorili valiaci sa zvuk hromu.
V pozemských podmienkach je však relatívne malý počet elektrónov, ktoré sa môžu voľne pohybovať, ako sme videli v predchádzajúcich príkladoch. Väčšina z nich je bezpečne viazaná v atómoch. Keďže jadro atómu je kladne nabité, priťahuje k sebe záporne nabité elektróny, čo ich núti zostať na obežných dráhach, ktoré sú relatívne blízko jadra. Atóm sa zvyčajne skladá z jadra a množstva elektrónov. Ak elektrón opustí atóm, zvyčajne je okamžite nahradený iným elektrónom, ktorý atómové jadro priťahuje veľkou silou zo svojho bezprostredného okolia.
Ako vyzerá tento úžasný elektrón? Nikto ho nevidel a nikdy neuvidí; a predsa poznáme jeho vlastnosti tak dobre, že vieme veľmi podrobne predpovedať, ako sa bude správať v najrozmanitejších situáciách. Poznáme jeho hmotnosť (jeho „hmotnosť“) a jeho elektrický náboj. Vieme, že väčšinou sa správa tak, ako keby čelil veľmi malému častica, v ostatných prípadoch prezrádza vlastnosti vlny. Mimoriadne abstraktnú, no zároveň veľmi presnú teóriu elektrónu vo finálnej podobe navrhol pred niekoľkými desaťročiami anglický fyzik Dirac. Táto teória nám dáva možnosť určiť, za akých okolností bude elektrón viac podobný častici a za akých okolností bude prevládať jeho vlnový charakter. Táto dvojaká povaha - častica a vlna - sťažuje poskytnutie jasného obrazu elektrónu; preto teória, ktorá berie do úvahy oba tieto pojmy a napriek tomu poskytuje úplný popis elektrónu, musí byť veľmi abstraktná. Bolo by však nerozumné obmedziť popis takého pozoruhodného javu, akým je elektrón, na také pozemské obrazy, akými sú hrach a vlny.
Jednou z premis Diracovej teórie elektrónu bolo, že musí existovať elementárna častica, ktorá má rovnaké vlastnosti ako elektrón, okrem toho, že je nabitá kladne a nie záporne. Takéto elektrónové dvojča bolo skutočne objavené a pomenované pozitrón. Je súčasťou kozmického žiarenia a vyskytuje sa aj v dôsledku rozpadu niektorých rádioaktívnych látok. V pozemských podmienkach je životnosť pozitrónu krátka. Len čo je v susedstve elektrónu, a to sa deje vo všetkých látkach, elektrón a pozitrón sa navzájom „vyhubia“; Kladný elektrický náboj pozitrónu neutralizuje záporný náboj elektrónu. Keďže podľa teórie relativity je hmotnosť formou energie a keďže energia je „nezničiteľná“, musí sa energia, ktorú predstavujú kombinované hmotnosti elektrónu a pozitrónu, nejako uložiť. Túto úlohu vykonáva fotón (kvantum svetla), alebo zvyčajne dva fotóny, ktoré sú vyžiarené v dôsledku tejto fatálnej kolízie; ich energia sa rovná celkovej energii elektrónu a pozitrónu.
Vieme aj to, že prebieha aj opačný proces, fotón môže za určitých podmienok, napríklad pri lete blízko jadra atómu, vytvoriť „z ničoho“ elektrón a pozitrón. Na takýto výtvor musí mať energiu aspoň rovnajúcu sa energii zodpovedajúcej celkovej hmotnosti elektrónu a pozitrónu.
Preto elementárne častice nie sú večné alebo trvalé. Elektróny aj pozitróny môžu prichádzať a odchádzať; energia a výsledné elektrické náboje sú však zachované.
S výnimkou elektrónu, elementárna častica, ktorú poznáme oveľa skôr ako ktorákoľvek iná častica, nie je pozitrón, ktorý je pomerne zriedkavý, ale protón je jadro atómu vodíka. Rovnako ako pozitrón je kladne nabitý, ale jeho hmotnosť je asi dvetisíckrát väčšia ako hmotnosť pozitrónu alebo elektrónu. Podobne ako tieto častice aj protón niekedy vykazuje vlnové vlastnosti, ale len za výnimočne špeciálnych podmienok. To, že jeho vlnový charakter je menej výrazný, je v skutočnosti priamym dôsledkom jeho oveľa väčšej hmotnosti. Vlnová povaha, ktorá je charakteristická pre všetku hmotu, pre nás nadobúda veľký význam až vtedy, keď začneme pracovať s výnimočne ľahkými časticami, ako sú elektróny.
Protón je veľmi bežná častica Atóm vodíka sa skladá z protónu, ktorý je jeho jadrom, a elektrónu, ktorý okolo neho obieha. Protón je tiež súčasťou všetkých ostatných atómových jadier.
Teoretickí fyzici predpovedali, že protón, podobne ako elektrón, má antičasticu. Otvorenie negatívny protón alebo antiprotón, ktorý má rovnaké vlastnosti ako protón, ale je negatívne nabitý, túto predpoveď potvrdil. Zrážka antiprotónu s protónom ich oboch „vyhubí“ rovnako ako pri zrážke elektrónu a pozitrónu.
Ďalšia elementárna častica neutrón, má takmer rovnakú hmotnosť ako protón, ale je elektricky neutrálny (vôbec žiadny elektrický náboj). Jeho objav v tridsiatych rokoch nášho storočia - približne súčasne s objavom pozitrónu - bol mimoriadne dôležitý pre jadrovú fyziku. Neutrón je súčasťou všetkých atómových jadier (samozrejme s výnimkou obyčajného jadra atómu vodíka, ktoré je jednoducho voľným protónom); Keď sa atómové jadro rozpadne, uvoľní jeden (alebo viac) neutrónov. K výbuchu atómovej bomby dochádza v dôsledku neutrónov uvoľnených z jadier uránu alebo plutónia.
Keďže protóny a neutróny spolu tvoria atómové jadrá a obe sa nazývajú nukleóny, po určitom čase sa voľný neutrón zmení na protón a elektrón.
Poznáme ďalšiu časticu tzv antineutrón, ktorý je rovnako ako neutrón elektricky neutrálny. Má mnoho vlastností neutrónu, ale jedným zo základných rozdielov je, že antineutrón sa rozpadá na antiprotón a elektrón. Zrážka, neutrón a antineutrón sa navzájom zničia,
Fotón, alebo svetelné kvantum, mimoriadne zaujímavá elementárna častica. Keďže chceme čítať knihu, rozsvietime žiarovku. Priložená žiarovka teda generuje obrovské množstvo fotónov, ktoré sa rýchlosťou svetla rútia do knihy, ako aj do všetkých ostatných kútov miestnosti. Niektorí z nich narazia na steny okamžite, iní znova a znova narážajú a odrážajú sa od stien iných predmetov, ale po menej ako jednej milióntine sekundy od okamihu, keď sa objavia, všetci zomrú, s výnimkou niekoľkých ktorým sa podarí utiecť cez okno a vkĺznuť do vesmíru. Energiu potrebnú na generovanie fotónov dodávajú elektróny prúdiace cez žiarovku, ktorá je zapnutá; umierajúc, fotóny dávajú túto energiu knihe alebo inému predmetu, pričom ju zahrievajú, alebo do oka, čo spôsobuje stimuláciu zrakových nervov.
Energia fotónu, a teda jeho hmotnosť, nezostáva nezmenená: existujú veľmi ľahké fotóny spolu s veľmi ťažkými. Fotóny, ktoré produkujú bežné svetlo, sú veľmi ľahké, ich hmotnosť je len niekoľko milióntín hmotnosti elektrónu. Ostatné fotóny majú hmotnosť približne rovnakú ako hmotnosť elektrónu a dokonca oveľa viac. Príkladmi ťažkých fotónov sú röntgenové lúče a gama lúče.
Tu platí všeobecné pravidlo: čím je elementárna častica ľahšia, tým je jej vlnová povaha výraznejšia. Najťažšie elementárne častice - protóny - vykazujú relatívne slabé vlnové charakteristiky; sú o niečo silnejšie pre elektróny; najsilnejšie sú fotóny. Vlnová povaha svetla bola objavená oveľa skôr ako jeho korpuskulárne charakteristiky. Vedeli sme, že svetlo nie je nič iné ako pohyb elektromagnetických vĺn, odkedy to Maxwell predviedol v druhej polovici minulého storočia, ale boli to Planck a Einstein na úsvite dvadsiateho storočia, ktorí zistili, že svetlo má aj korpuskulárne vlastnosti, niekedy vyžaroval vo forme samostatných „kván“, alebo inými slovami, vo forme prúdu fotónov. Nemožno poprieť, že je ťažké zjednotiť a zlúčiť v našich mysliach tieto dve zdanlivo odlišné koncepcie podstaty svetla; Môžeme však povedať, že podobne ako „dvojitá povaha“ elektrónu, aj naša koncepcia takého nepolapiteľného javu, akým je svetlo, musí byť veľmi abstraktná. A len keď chceme vyjadriť svoju myšlienku v hrubých termínoch, musíme niekedy svetlo prirovnať k prúdu častíc, fotónov alebo vlnovému pohybu elektromagnetickej povahy.
Existuje vzťah medzi korpuskulárnou povahou javu a jeho „vlnovými“ vlastnosťami. Čím je častica ťažšia, tým je jej zodpovedajúca vlnová dĺžka kratšia; čím dlhšia je vlnová dĺžka, tým je zodpovedajúca častica ľahšia. Röntgenové lúče, ktoré sa skladajú z veľmi ťažkých fotónov, majú zodpovedajúcim spôsobom veľmi krátke vlnové dĺžky. Červené svetlo, ktoré má dlhšiu vlnovú dĺžku ako modré svetlo, je tvorené ľahšími fotónmi ako fotóny modrého svetla. Najdlhšie existujúce elektromagnetické vlny – rádiové vlny – sa skladajú z malých fotónov. Tieto vlny ani v najmenšom nevykazujú vlastnosti častíc, ich vlnová povaha je úplne dominantnou charakteristikou.
A nakoniec, najmenšia zo všetkých malých elementárnych častíc je neutrína. Je bez elektrického náboja a ak má nejakú hmotnosť, potom je blízka nule. S určitým zveličením môžeme povedať, že neutríno jednoducho nemá žiadne vlastnosti.
Naše poznatky o elementárnych časticiach sú modernou hranicou fyziky. Atóm bol objavený v devätnástom storočí a vtedajší vedci objavili čoraz väčší počet rôznych druhov atómov; podobne dnes nachádzame čoraz viac elementárnych častíc. A hoci sa dokázalo, že atómy pozostávajú z elementárnych častíc, nemôžeme očakávať, že sa analogicky zistí, že elementárne častice pozostávajú z ešte menších častíc. Problém, ktorému dnes čelíme, je veľmi odlišný a neexistuje ani najmenší náznak toho, že by sme mohli štiepiť elementárne častice. Skôr treba dúfať, že sa ukáže, že všetky elementárne častice sú prejavom jedného ešte zásadnejšieho javu. A ak by to bolo možné dokázať, boli by sme schopní pochopiť všetky vlastnosti elementárnych častíc; mohli vypočítať ich hmotnosti a ako interagujú. Urobilo sa veľa pokusov priblížiť sa k riešeniu tohto problému, ktorý je jedným z najdôležitejších problémov fyziky.
Elementárne častice sú častice, ktoré ešte nenašli vnútornú štruktúru. Ešte v minulom storočí boli atómy považované za elementárne častice. Ich vnútorná štruktúra – jadrá a elektróny – bola objavená začiatkom 20. storočia. v pokusoch E. Rutherforda. Veľkosť atómov je asi 10 -8 cm, jadrá sú desaťtisíckrát menšie a veľkosť elektrónov je veľmi malá. Je to menej ako 10 -16 cm, ako vyplýva z moderných teórií a experimentov.
Teraz je teda elektrón elementárnou časticou. Pokiaľ ide o jadrá, ich vnútorná štruktúra bola odhalená krátko po ich objavení. Tvoria ich nukleóny – protóny a neutróny. Jadrá sú pomerne husté: priemerná vzdialenosť medzi nukleónmi je len niekoľkonásobkom ich vlastnej veľkosti. Zistiť, z čoho pozostávajú nukleóny, trvalo asi pol storočia, no zároveň sa objavili a vyriešili ďalšie záhady prírody.
Nukleóny pozostávajú z troch kvarkov, ktoré sú elementárne s rovnakou presnosťou ako elektrón, t.j. ich polomer je menší ako 10 -16 cm. Polomer nukleónov - veľkosť plochy, ktorú zaberajú kvarky - je asi 10 -13 cm. častice - baryóny, zložené z troch rôznych (alebo rovnakých) kvarkov. Kvarky môžu vytvárať trojky rôznymi spôsobmi a to určuje rozdiely vo vlastnostiach baryónu, napríklad môže mať rôznu rotáciu.
Okrem toho sa kvarky môžu spájať do párov – mezónov, pozostávajúcich z kvarku a antikvarku. Spin mezónov nadobúda celočíselné hodnoty, zatiaľ čo v prípade baryónov naberá polovičné celočíselné hodnoty. Spolu baryóny a mezóny sa nazývajú hadróny.
Kvarky sa nenašli vo voľnej forme a podľa v súčasnosti uznávaných konceptov môžu existovať iba vo forme hadrónov. Pred objavením kvarkov boli hadróny istý čas považované za elementárne častice (a tento názov je v literatúre stále pomerne bežný).
Prvou experimentálnou indikáciou zloženej štruktúry hadrónov boli experimenty rozptylu elektrónov protónmi na lineárnom urýchľovači Stanford (USA), čo bolo možné vysvetliť len predpokladom prítomnosti niektorých bodových objektov vo vnútri protónu.
Čoskoro sa ukázalo, že ide o kvarky, ktorých existenciu teoretici predpokladali ešte skôr.
Tu je tabuľka moderných elementárnych častíc. Okrem šiestich typov kvarkov (v experimentoch sa zatiaľ objavilo iba päť, no teoretici predpokladajú, že existuje aj šiesty) sú v tejto tabuľke uvedené leptóny – častice, ku ktorým patrí aj elektrón. V tejto rodine bol objavený aj mión a (celkom nedávno) t-leptón. Každý z nich má svoje neutríno, takže leptóny sa prirodzene rozdeľujú na tri páry e, n e; m, n m; t, n t.
Každý z týchto párov sa spája so zodpovedajúcim párom kvarkov do štvorice, ktorá sa nazýva generácia. Vlastnosti častíc sa z generácie na generáciu opakujú, ako je zrejmé z tabuľky. Len masy sa líšia. Druhá generácia je ťažšia ako prvá a tretia generácia je ťažšia ako druhá.
V prírode sa nachádzajú najmä častice prvej generácie a zvyšok vzniká umelo na urýchľovačoch nabitých častíc alebo pri interakcii kozmického žiarenia v atmosfére.
Okrem spin 1/2 kvarkov a leptónov, súhrnne nazývaných častice hmoty, sú v tabuľke uvedené častice so spinom 1. Ide o kvantá polí vytvorených časticami hmoty. Z nich je najznámejšou časticou fotón, kvantum elektromagnetického poľa.
Takzvané intermediárne bozóny W+ a W- , ktoré majú veľmi veľké hmotnosti, boli nedávno objavené pri pokusoch na pulte R-lúče pri energiách niekoľkých stoviek GeV. Tie sú nositeľmi slabých interakcií medzi kvarkami a leptónmi. A nakoniec, gluóny sú nositeľmi silných interakcií medzi kvarkami. Rovnako ako samotné kvarky, ani gluóny sa nenašli vo voľnej forme, ale objavujú sa v medzistupňoch reakcií tvorby a zániku hadrónov. Nedávno boli zistené hadrónové prúdy generované gluónmi. Keďže všetky predpovede teórie kvarkov a gluónov – kvantovej chromodynamiky – súhlasia so skúsenosťami, o existencii gluónov niet takmer žiadnych pochýb.
Častica so spinom 2 je gravitón. Jeho existencia pramení z Einsteinovej teórie gravitácie, princípov kvantovej mechaniky a teórie relativity. Experimentálne bude ťažké odhaliť gravitón, pretože veľmi slabo interaguje s hmotou.
Nakoniec tabuľka s otáznikom ukazuje častice so spinom 0 (H-mezóny) a 3/2 (gravitinos); neboli experimentálne nájdené, ale ich existencia sa predpokladá v mnohých moderných teoretických modeloch.
Elementárne častice
| točiť | 0? | 1/2 | 1 | 3/2 | 2? | ||||||
| titul | Higgsove častice | Častice hmoty | Poľné kvantá | ||||||||
| kvarky | leptóny | fotón | vektorové bozóny | gluón | gravitino | gravitón | |||||
| symbol | H | u | d | nie | e | g | Z | W | g | ||
| (váha) | (?) | (?) | (0,5) | (0) | (~95 GeV) | (~ 80 GeV) | (?) | (?) | |||
| symbol | s | s | nm | m | |||||||
| (váha) | (0?) | (106) | |||||||||
| symbol | t | b | n t | t | |||||||
| (váha) | (0?) | (1784) | |||||||||
| baryónový náboj | 0 | 1/3 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Nabíjačka | 0,±1 | 2/3 | 1/3 | 0 | -1 | 0 | 0 | ±1 | 0 | 0 | 0 |
| Farba | - | 3 | 3 | - | - | - | - | - | 8 | - | - |
Hadróny – všeobecný názov pre častice zapojené do silných interakcií . Názov pochádza z gréckeho slova, ktoré znamená „silný, veľký“. Všetky hadróny sú rozdelené do dvoch veľkých skupín - mezóny a baryóny.
baryóny(z gréckeho slova znamenajúceho "ťažký") sú hadróny s polovičným spinom . Najznámejšie baryóny sú protón a neutrón . Medzi baryóny patrí aj množstvo častíc s kvantovým číslom, kedysi nazývané zvláštnosť. Jednotku podivnosti má lambda baryón (L°) a čeľaď sigma baryónov (S - , S+ a S°). Indexy +, -, 0 označujú znamienko elektrického náboja alebo neutralitu častice. Baryóny xy (X - a X°) majú dve jednotky podivnosti. Baryon W - má podivnosť rovnajúcu sa trom. Hmotnosti uvedených baryónov sú asi jeden a pol násobok hmotnosti protónu a ich charakteristická životnosť je asi 10 -10 s. Pripomeňme, že protón je prakticky stabilný, zatiaľ čo neutrón žije viac ako 15 minút. Zdalo by sa, že ťažšie baryóny majú veľmi krátku životnosť, no v meradle mikrokozmu to tak nie je. Takáto častica, aj keď sa pohybuje relatívne pomaly, rýchlosťou rovnajúcou sa povedzme 10 % rýchlosti svetla, dokáže prejsť vzdialenosť niekoľkých milimetrov a zanechať svoju stopu v detektore elementárnych častíc. Za jednu z vlastností baryónov, ktoré ich odlišujú od iných typov častíc, možno považovať prítomnosť konzervovaného baryónového náboja. Táto hodnota bola zavedená, aby opísala experimentálny fakt stálosti vo všetkých známych procesoch rozdielu medzi počtom baryónov a antibaryónov.
Proton- stabilná častica z triedy hadrónov, jadro atómu vodíka. Ťažko povedať, akú udalosť treba považovať za objav protónu: veď ako vodíkový ión je známy už dlho. Vytvorenie planetárneho modelu atómu E. Rutherfordom (1911) a objav izotopov (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) a pozorovanie vodíkových jadier vyradených alfa. častice z jadier dusíka zohrali úlohu pri objave protónu (E. Rutherford, 1919). V roku 1925 dostal P. Blackett prvé fotografie protónových stôp v oblačnej komore (pozri Detektory jadrového žiarenia), ktoré potvrdili objav umelej premeny prvkov. V týchto experimentoch bola a-častica zachytená jadrom dusíka, ktoré emitovalo protón a zmenilo sa na izotop kyslíka.
Spolu s neutrónmi tvoria protóny atómové jadrá všetkých chemických prvkov a počet protónov v jadre určuje atómové číslo daného prvku. Protón má kladný elektrický náboj rovný elementárnemu náboju, t.j. absolútnej hodnote náboja elektrónu. Toto bolo overené experimentálne s presnosťou 10-21. protónovej hmotnosti m p \u003d (938,2796 ± 0,0027) MeV alebo ~ 1,6-10 -24 g, t.j. protón je 1836-krát ťažší ako elektrón! Z moderného hľadiska protón nie je skutočnou elementárnou časticou: pozostáva z dvoch u-kvarky s elektrickými nábojmi +2/3 (v jednotkách elementárneho náboja) a jeden d-kvark s elektrickým nábojom -1/3. Kvarky sú vzájomne prepojené výmenou iných hypotetických častíc – gluónov, kvantá poľa, ktoré nesie silné interakcie. Experimentálne údaje, v ktorých sa zvažovali procesy rozptylu elektrónov protónmi, skutočne svedčia o prítomnosti bodov bodového rozptylu vo vnútri protónov. Tieto experimenty sú v určitom zmysle veľmi podobné tým Rutherfordovým, ktoré viedli k objavu atómového jadra. Ako zložená častica má protón konečnú veľkosť ~ 10 -13 cm, aj keď, samozrejme, nemôže byť reprezentovaný ako pevná guľa. Protón skôr pripomína oblak s fuzzy hranicou, ktorý pozostáva z vznikajúcich a anihilujúcich virtuálnych častíc.
Protón, rovnako ako všetky hadróny, sa zúčastňuje každej zo základných interakcií. Takže silné interakcie viažu protóny a neutróny v jadrách, elektromagnetické interakcie - protóny a elektróny v atómoch. Príkladom slabých interakcií je beta rozpad neutrónu alebo intranukleárna premena protónu na neutrón s emisiou pozitrónu a neutrína (pre voľný protón je takýto proces nemožný kvôli zákonu zachovania a premeny energie, keďže neutrón má o niečo väčšiu hmotnosť). Protónový spin je 1/2. Hadróny s polovičným spinom sa nazývajú baryóny (z gréckeho slova pre „ťažký“). Baryóny zahŕňajú protón, neutrón, rôzne hyperóny (L, S, X, W) a množstvo častíc s novými kvantovými číslami, z ktorých väčšina ešte nebola objavená. Na charakterizáciu baryónov bolo zavedené špeciálne číslo - baryónový náboj, ktorý sa rovná 1 pre baryóny, - 1 - pre antibaryóny a O - pre všetky ostatné častice. Baryónový náboj nie je zdrojom baryónového poľa, bol zavedený len na opísanie zákonitostí pozorovaných pri reakciách s časticami. Tieto zákonitosti sú vyjadrené vo forme zákona zachovania baryónového náboja: rozdiel medzi počtom baryónov a antibaryónov v systéme je zachovaný pri akýchkoľvek reakciách. Zachovanie baryónového náboja znemožňuje rozpad protónu, pretože je najľahší z baryónov. Tento zákon má empirický charakter a, samozrejme, musí byť experimentálne testovaný. Presnosť zákona zachovania baryónového náboja je charakterizovaná stabilitou protónu, ktorého experimentálny odhad životnosti udáva hodnotu minimálne 1032 rokov.
ELEMENTÁRNE ČASTICE- primárne, ďalej nerozložiteľné častice, o ktorých sa predpokladá, že sa skladá všetka hmota. V modernej fyzike sa termín „elementárne častice“ zvyčajne používa na označenie veľkej skupiny najmenších častíc hmoty, ktoré nie sú atómami (pozri Atóm) alebo atómovými jadrami (pozri Atómové jadro); výnimkou je jadro atómu vodíka – protón.
Do 80. rokov 20. storočia vedela veda poznať viac ako 500 elementárnych častíc, z ktorých väčšina je nestabilná. Medzi elementárne častice patria protón (p), neutrón (n), elektrón (e), fotón (γ), pi-mezóny (π), mióny (μ), ťažké leptóny (τ + , τ -), neutrína troch typov - elektronické (V e), miónové (V μ) a spojené s takzvaným ťažkým deptónom (V τ), ako aj „čudné“ častice (K-mezóny a hyperóny), rôzne rezonancie, mezóny so skrytým šarmom, „čaroval " častice, častice upsilon (Υ), "krásne" častice, intermediárne vektorové bozóny atď. Objavil sa samostatný odbor fyziky - fyzika elementárnych častíc.
História fyziky elementárnych častíc začala v roku 1897, keď J. J. Thomson objavil elektrón (pozri Elektronické žiarenie); v roku 1911 R. Millikan zmeral veľkosť jeho elektrického náboja. Pojem „fotón“ – kvantum svetla – zaviedol v roku 1900 Planck (M. Planck). Priamy experimentálny dôkaz o existencii fotónu získali Millikan (1912-1915) a Compton (A. H. Compton, 1922). V procese štúdia atómového jadra objavil E. Rutherford protón (pozri Protónové žiarenie) av roku 1932 Chadwick (J. Chadwick) - neutrón (pozri Neutrónové žiarenie). V roku 1953 bola experimentálne dokázaná existencia neutrína, ktorú W. Pauli predpovedal už v roku 1930.
Elementárne častice sú rozdelené do troch skupín. Prvú predstavuje jedna elementárna častica – fotón, γ-kvantum alebo kvantum elektromagnetického žiarenia. Druhou skupinou sú leptóny (grécky leptos malý, ľahký), podieľajúce sa okrem elektromagnetických aj na slabých interakciách. Je známych šesť leptónov: elektrón a elektrónové neutríno, miónové a miónové neutríno, ťažký τ-leptón a zodpovedajúce neutríno. Treťou – hlavnou skupinou elementárnych častíc sú hadróny (grécky hadros veľké, silné), ktoré sa podieľajú na všetkých typoch interakcií, vrátane silných interakcií (pozri nižšie). Hadróny zahŕňajú častice dvoch typov: baryóny (grécky barys ťažké) - častice s polovičným celočíselným spinom a hmotnosťou nie menšou ako hmotnosť protónu a mezóny (grécke médium mezos) - častice s nulovým alebo celočíselným spinom (pozri Elektrón paramagnetická rezonancia). Baryóny zahŕňajú protón a neutrón, hyperóny, časť rezonancií a "začarované" častice a niektoré ďalšie elementárne častice. Jediným stabilným baryónom je protón, zvyšok baryónov je nestabilný (neutrón vo voľnom stave je nestabilná častica, ale vo viazanom stave vo vnútri stabilných atómových jadier je stabilný. Mezóny dostali svoje meno, pretože hmotnosti prvého objavené mezóny - pí-mezón a K-mezón - mali hodnoty medzi hmotnosťami protónu a elektrónu. Neskôr boli objavené mezóny, ktorých hmotnosť presahuje hmotnosť protónu. Hadróny sa tiež vyznačujú podivnosť (S) - nula, kladné alebo záporné kvantové číslo. Hadróny s nulovou podivnosťou sa nazývajú obyčajné a so S ≠ 0 - podivné G. Zweig a M. Gell-Mann nezávisle navrhli kvarkovú štruktúru hadrónov v roku 1964. Výsledky množstvo experimentov naznačuje, že kvarky sú skutočnými hmotnými útvarmi vo vnútri hadrónov, majú množstvo nezvyčajných vlastností, napríklad zlomkový elektrický náboj atď. Vo voľnom stave sa kvarky nepozorujú či. Predpokladá sa, že všetky hadróny vznikajú vďaka rôznym kombináciám kvarkov.
Spočiatku sa elementárne častice skúmali pri štúdiu rádioaktívneho rozpadu (pozri Rádioaktivita) a kozmického žiarenia (pozri). Od 50. rokov 20. storočia sa však výskum elementárnych častíc uskutočňuje na urýchľovačoch nabitých častíc (pozri), v ktorých zrýchlené častice bombardujú cieľ alebo sa zrážajú s časticami letiacimi smerom k nemu. V tomto prípade častice navzájom interagujú, v dôsledku čoho dochádza k ich vzájomnej premene. Takto bola objavená väčšina elementárnych častíc.
Každá elementárna častica, spolu so špecifikami jej inherentných interakcií, je opísaná súborom diskrétnych hodnôt určitých fyzikálnych veličín vyjadrených ako celé číslo alebo zlomkové číslo (kvantové čísla). Spoločnými charakteristikami všetkých elementárnych častíc sú hmotnosť (m), životnosť (t), spin (J) - vlastný moment hybnosti elementárnych častíc, ktorý má kvantovú povahu a nesúvisí s pohybom častice ako celku. , elektrický náboj (Ω) a magnetický moment (µ). Elektrické náboje študovaných elementárnych častíc v absolútnej hodnote sú celočíselné násobky náboja elektrónu (e≈1,6*10 -10 k). Známe elementárne častice majú elektrický náboj rovný 0, ±1 a ±2.
Všetky elementárne častice majú zodpovedajúce antičastice, ktorých hmotnosť a spin sa rovnajú hmotnosti a spinu častice a elektrický náboj, magnetický moment a ďalšie charakteristiky sú rovnaké v absolútnej hodnote a opačné v znamienku. Napríklad antičastica elektrónu je pozitrón - elektrón s kladným elektrickým nábojom. Elementárna častica, identická so svojou antičasticou, sa nazýva skutočne neutrálna, napríklad neutrón a antineutrón, neutríno a antineutríno atď. Keď antičastice interagujú navzájom, anihilujú (pozri).
Keď elementárna častica vstúpi do hmotného prostredia, interaguje s ním. Existujú silné, elektromagnetické, slabé a gravitačné interakcie. Silná interakcia (silnejšia ako elektromagnetická) nastáva medzi elementárnymi časticami umiestnenými vo vzdialenosti menšej ako 10 -15 m (1 fermi). Pri vzdialenostiach väčších ako 1,5 fermi je sila interakcie medzi časticami blízka nule. Práve silné interakcie medzi elementárnymi časticami poskytujú výnimočnú silu atómových jadier, ktorá je základom stability hmoty v pozemských podmienkach. Charakteristickým znakom silnej interakcie je jej nezávislosť od elektrického náboja. Hadróny sú schopné silnej interakcie. Silné interakcie spôsobujú rozpad častíc s krátkou životnosťou (životnosť rádovo 10 -23 - 10 -24 sek.), ktoré sa nazývajú rezonancie.
Všetky nabité elementárne častice, fotóny a neutrálne častice, ktoré majú magnetický moment (napríklad neutróny), podliehajú elektromagnetickej interakcii. V srdci elektromagnetických interakcií je spojenie s elektromagnetickým poľom. Sily elektromagnetickej interakcie sú asi 100-krát slabšie ako sily silnej interakcie. Hlavným rozsahom elektromagnetickej interakcie sú atómy a molekuly (pozri Molekula). Táto interakcia určuje štruktúru pevných látok, povahu chemikálie. procesy. Nie je obmedzený vzdialenosťou medzi elementárnymi časticami, preto je veľkosť atómu asi 10 4-krát väčšia ako veľkosť atómového jadra.
Slabé interakcie sú základom extrémne pomalých procesov zahŕňajúcich elementárne častice. Napríklad neutrína so slabými interakciami môžu voľne prenikať do hrúbky Zeme a Slnka. Slabé interakcie spôsobujú aj pomalé rozpady takzvaných kvázi stabilných elementárnych častíc, ktorých životnosť je v rozmedzí 10 8 - 10 - 10 sek. Elementárne častice narodené počas silnej interakcie (za 10 -23 -10 -24 sek.), ale pomaly sa rozpadajúce (10 -10 sek.), sa nazývajú zvláštne.
Gravitačné interakcie medzi elementárnymi časticami spôsobujú extrémne malé účinky v dôsledku zanedbateľnosti hmotností častíc. Tento typ interakcie bol dobre študovaný na makroobjektoch s veľkou hmotnosťou.
Rozmanitosť elementárnych častíc s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami vysvetľuje náročnosť ich systematizácie. Zo všetkých elementárnych častíc sú skutočne stabilné iba fotóny, elektróny, neutrína, protóny a ich antičastice, pretože majú dlhú životnosť. Tieto častice sú konečnými produktmi spontánnej premeny iných elementárnych častíc. Zrodenie elementárnych častíc môže nastať v dôsledku prvých troch typov interakcií. Pre silne interagujúce častice sú zdrojom produkcie silné interakčné reakcie. Leptóny s najväčšou pravdepodobnosťou vznikajú rozpadom iných elementárnych častíc alebo sa rodia v pároch (častica + antičastica) pod vplyvom fotónov.
Prúdy elementárnych častíc tvoria ionizujúce žiarenie (pozri), spôsobujúce ionizáciu neutrálnych molekúl prostredia. Biologický účinok elementárnych častíc je spojený s tvorbou látok s vysokou chemickou aktivitou v ožiarených tkanivách a telesných tekutinách. Medzi tieto látky patria voľné radikály (pozri Voľné radikály), peroxidy (pozri) a iné. Elementárne častice môžu mať priamy vplyv aj na biomolekuly a supramolekulárne štruktúry, spôsobiť pretrhnutie vnútromolekulových väzieb, depolymerizáciu makromolekulových zlúčenín a pod. excitácia v niektorých makromolekulárnych substrátoch. V bunkách je potlačená alebo zvrátená aktivita enzýmových systémov, mení sa štruktúra bunkových membrán a povrchových bunkových receptorov, čo vedie k zvýšeniu priepustnosti membrán a zmene difúznych procesov, sprevádzaných javmi denaturácie bielkovín, dehydratáciou tkanív, a narušenie vnútorného prostredia bunky. Citlivosť buniek do značnej miery závisí od intenzity ich mitotického delenia (pozri Mitóza) a metabolizmu: so zvýšením tejto intenzity sa zvyšuje citlivosť tkanív na rádioaktivitu (pozri Rádiosenzitivita). Táto vlastnosť tokov elementárnych častíc – ionizujúce žiarenie – je založená na ich využití na radiačnú terapiu (pozri), najmä pri liečbe malígnych novotvarov. Sila prieniku nabitých elementárnych častíc do značnej miery závisí od lineárneho prenosu energie (pozri), teda od priemernej energie absorbovanej prostredím v mieste prechodu nabitej častice, vztiahnuté na jednotku jej dráhy.
Škodlivý účinok prúdenia elementárnych častíc postihuje najmä kmeňové bunky krvotvorného tkaniva, epitel semenníkov, tenké črevo a kožu (pozri Choroba z ožiarenia, Radiačné poškodenie). V prvom rade sú ovplyvnené systémy, ktoré sú počas ožarovania v stave aktívnej organogenézy a diferenciácie (pozri Kritický orgán).
Biologický a terapeutický účinok elementárnych častíc závisí od ich druhu a dávky žiarenia (pozri Dávky ionizujúceho žiarenia). Takže napríklad pri vystavení röntgenovému žiareniu (pozri röntgenovú terapiu), gama žiareniu (pozri gama terapia) a protónovému žiareniu (pozri protónová terapia) na celom ľudskom tele v dávke asi 100 rad, je dočasná zmena pri hematopoéze sa pozoruje; vonkajšia expozícia neutrónovému žiareniu (pozri Neutrónové žiarenie) vedie k tvorbe rôznych rádioaktívnych látok v tele, napríklad rádionuklidov sodíka, fosforu atď. tela, toto sa nazýva vnútorné ožiarenie tela (pozri Inkorporácia rádioaktívnych látok). Obzvlášť nebezpečné sú v tomto smere rýchlo resorbujúce sa rádionuklidy s rovnomernou distribúciou v organizme, napr. trícium (3H) a polónium-210.
Rádionuklidy, ktoré sú zdrojom elementárnych častíc a podieľajú sa na metabolizme, sa využívajú v rádioizotopovej diagnostike (pozri).
Bibliografia: Akhiezer A. I. a Rekalo M. P. Životopis elementárnych častíc, Kyjev, 1983, bibliogr.; Bogolyubov N. N. a Shirokov D. V. Kvantové polia, Moskva, 1980; Narodený M. Atómová fyzika, prekl. z angličtiny, M., 1965; Jones X. Physics of rádiology, trans. z angličtiny M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. a Frolova A. V. Fyzikálne základy klinickej dozimetrie, M., 1969; Radiačná terapia s použitím vysokoenergetického žiarenia, vyd. I. Becker a G. Schubert, prekl. z nemčiny, M., 1964; Tyubiana M. a kol., Fyzikálne základy radiačnej terapie a rádiobiológie, prekl. z francúzštiny, Moskva, 1969; Shpolsky E. V. Atómová fyzika, zväzok 1, M., 1984; Yang Ch. Elementárne častice, trans. z angličtiny. M., 1963.
R. V. Stavntsky.
Elementárne častice, v užšom zmysle - častice, ktoré nemožno považovať za pozostávajúce z iných častíc. V modernej fyzike termín „ elementárne častice" sa používa v širšom zmysle: toto je názov pre najmenšie častice hmoty, pod podmienkou, že nie sú atómami (protón je výnimkou); niekedy z tohto dôvodu elementárne častice sa nazývajú subjadrové častice. Väčšina z týchto častíc (známych je viac ako 350) sú kompozitné systémy.
Elementárne častice podieľať sa na elektromagnetických, slabých, silných a gravitačných interakciách. Kvôli malým hmotnostiam elementárne častice ich gravitačná interakcia sa zvyčajne neberie do úvahy. Všetky elementárne častice rozdelené do troch hlavných skupín. Prvým sú takzvané bozóny – nositelia elektroslabej interakcie. To zahŕňa fotón alebo kvantum elektromagnetického žiarenia. Kľudová hmotnosť fotónu je rovná nule, preto rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn v (vrátane svetelných vĺn) je limitnou rýchlosťou šírenia fyzikálneho javu a je jednou zo základných fyzikálnych konštánt; akceptoval to s= (299792458±1,2) m/s.
Druhá skupina elementárne častice- leptóny zúčastňujúce sa elektromagnetických a slabých interakcií. Známych je 6 leptónov: , elektrónové neutríno, mión, miónové neutríno, ťažký τ-leptón a zodpovedajúce neutríno. Elektrón (symbol e) sa v prírode považuje za hmotného nosiča najmenšej hmotnosti m e sa rovná 9,1 × 10 -28 g (v energetických jednotkách ≈0,511 MeV) a najmenší záporný elektrický náboj e\u003d 1,6 × 10 -19 °C. Mióny (symbol μ -) - častice s hmotnosťou asi 207 elektrónových hmotností (105,7 MeV) a elektrickým nábojom rovným náboju elektrónu; ťažký τ leptón má hmotnosť asi 1,8 GeV. Tri typy neutrín zodpovedajúce týmto časticiam sú elektronické (symbol ν
e), mión (symbol ν μ) a τ-neutrino (symbol ν τ) sú ľahké (prípadne bezhmotné) elektricky neutrálne častice.
Každý z leptónov zodpovedá , ktorý má rovnaké hodnoty hmotnosti, spinu a iných charakteristík, ale líši sa znakom elektrického náboja. Existujú (symbol e +) - antičastica vo vzťahu k , kladne nabitá (symbol μ +) a tri typy antineutrín (symboly ), ktorým je priradené opačné znamienko špeciálneho kvantového čísla nazývaného náboj leptónu (pozri nižšie).
Tretia skupina elementárnych častíc - hadróny, sa podieľajú na silných, slabých a elektromagnetických interakciách. Hadróny sú „ťažké“ častice s hmotnosťou oveľa väčšou ako hmotnosť elektrónu. Toto je najväčšia skupina elementárne častice. Hadróny sa delia na baryóny - častice so spinom ½ћ, mezóny - častice s celočíselným spinom (0 alebo 1); ako aj takzvané rezonancie – krátkodobé excitované stavy hadrónov. Medzi baryóny patrí protón (symbol p) - jadro atómu vodíka s hmotnosťou ~ 1836-krát väčšou ako m e a rovná sa 1,672648 × 10 -24 g (≈938,3 MeV) a kladný elektrický náboj rovný náboju neutrónu (symbol n) - elektricky neutrálnej častice, ktorej hmotnosť mierne presahuje hmotnosť protónu. Všetko je postavené z protónov a neutrónov, je to práve silná interakcia, ktorá určuje spojenie týchto častíc medzi sebou. Pri silnej interakcii majú protón a neutrón rovnaké vlastnosti a považujú sa za dva kvantové stavy jednej častice - nukleónu s izotopickým spinom ½ћ (pozri nižšie). Medzi baryóny patria aj hyperóny - elementárne častice s hmotnosťou väčšou ako nukleónová: Λ-hyperón má hmotnosť 1116 MeV, Σ-hyperón - 1190 MeV, Θ-hyperón - 1320 MeV, Ω-hyperón - 1670 MeV. Mezóny majú hmotnosti medzi hmotnosťou protónu a elektrónu (π-mezón, K-mezón). Existujú neutrálne a nabité mezóny (s kladným a záporným elementárnym elektrickým nábojom). Všetky mezóny sú klasifikované ako bozóny podľa ich štatistických vlastností.
Základné vlastnosti elementárnych častíc
Každý elementárna častica je opísaná množinou diskrétnych hodnôt fyzikálnych veličín (kvantových čísel). Všeobecná charakteristika všetkých elementárne častice- hmotnosť, životnosť, rotácia, elektrický náboj.
V závislosti od životnosti elementárne častice sa delia na stabilné, kvázi stabilné a nestabilné (rezonancie). Stabilné (v rámci presnosti moderných meraní) sú: elektrón (životnosť viac ako 5 × 10 21 rokov), protón (viac ako 10 31 rokov), fotón a neutríno. Kvázi stabilné častice zahŕňajú častice, ktoré sa rozpadajú v dôsledku elektromagnetických a slabých interakcií, ich životnosť je viac ako 10 -20 s. Silnou interakciou sa rezonancie rozpadajú, ich charakteristická životnosť je 10 -22 - 10 -24 s.
Vnútorné charakteristiky (kvantové čísla) elementárne častice sú leptón (symbol L) a baryonické (symbol AT) poplatky; tieto čísla sa považujú za prísne zachované veličiny pre všetky typy základných interakcií. Pre leptonické a ich antičastice L majú opačné znaky; pre baryóny AT= 1 pre zodpovedajúce antičastice AT=-1.
Hadróny sa vyznačujú prítomnosťou špeciálnych kvantových čísel: "zvláštnosť", "šarm", "krása". Obyčajné (nečudné) hadróny – protón, neutrón, π-mezóny. V rámci rôznych skupín hadrónov existujú rodiny častíc s podobnou hmotnosťou a podobnými vlastnosťami vzhľadom na silnú interakciu, ale s rôznymi elektrickými nábojmi; Najjednoduchším príkladom je protón a neutrón. Celkové kvantové číslo pre takéto elementárne častice- takzvaný izotopový spin, ktorý ako zvyčajný spin nadobudne celočíselné a polovičné celočíselné hodnoty. Medzi špeciálne vlastnosti hadrónov patrí vnútorná parita, ktorá nadobúda hodnoty ±1.
Dôležitá vlastnosť elementárne častice- ich schopnosť vzájomných premien v dôsledku elektromagnetických alebo iných interakcií. Jedným z typov vzájomných premien je takzvané zrodenie páru, alebo vznik častice aj antičastice (vo všeobecnom prípade vznik páru elementárne častice s opačnými leptónovými alebo baryónovými nábojmi). Možné procesy sú vytváranie elektrón-pozitrónových párov e - e +, miónových párov μ + μ - nové ťažké častice pri zrážkach leptónov, vznik kvarkov cc- a bb-uvádza (pozri nižšie). Iný typ výmeny elementárne častice- anihilácia páru pri zrážkach častíc za vzniku konečného počtu fotónov (γ-kvant). Zvyčajne sa vytvoria 2 fotóny, keď je celkový spin kolidujúcich častíc nula, a 3 fotóny sa vytvoria, keď sa celkový spin rovná 1 (prejav zákona zachovania parity náboja).
Za určitých podmienok, najmä pri nízkej rýchlosti zrážania častíc, je možný vznik viazaného systému - pozitrónium e - e + a miónium μ + e - . Tieto nestabilné systémy sa často označujú ako vodíkové. Ich životnosť v hmote závisí vo veľkej miere od vlastností hmoty, čo umožňuje využiť atómy podobné vodíku na štúdium štruktúry kondenzovanej hmoty a kinetiky rýchlych chemických reakcií (pozri Mezónová chémia, Jadrová chémia).
Kvarkový model hadrónov
Podrobná úvaha o kvantových číslach hadrónov s cieľom ich klasifikácie viedla k záveru, že podivné hadróny a obyčajné hadróny spolu tvoria asociácie častíc s podobnými vlastnosťami, nazývané unitárne multiplety. Počet častíc v nich zahrnutých je 8 (oktet) a 10 (dekuplet). Častice, ktoré tvoria unitárny multiplet, majú rovnakú vnútornú paritu, ale líšia sa hodnotami elektrického náboja (častice izotopového multipletu) a zvláštnosťou. Vlastnosti symetrie sú spojené s unitárnymi skupinami, ich objav bol základom pre záver o existencii špeciálnych štruktúrnych jednotiek, z ktorých sú hadróny postavené - kvarky. Predpokladá sa, že hadróny sú kombináciou 3 základných častíc so spinom ½: n- kvarky, d- kvarky a s- kvarky. Mezóny sa teda skladajú z kvarku a antikvarku, baryóny sa skladajú z 3 kvarkov.
Predpoklad, že hadróny sa skladajú z 3 kvarkov, vznikol v roku 1964 (J. Zweig a nezávisle M. Gell-Man). Následne boli do modelu hadrónovej štruktúry zahrnuté ďalšie dva kvarky (najmä, aby sa predišlo rozporu s Pauliho princípom) – „charmed“ kvark ( s) a krásny" ( b), ako aj zavedenie špeciálnych vlastností kvarkov – „chuť“ a „farba“. Kvarky pôsobiace ako zložky hadrónov neboli pozorované vo voľnom stave. Celá rozmanitosť hadrónov je spôsobená rôznymi kombináciami n-, d-, s-, s- a b-kvarky tvoriace viazané stavy. Bežné hadróny (protón, neutrón, π-mezóny) zodpovedajú viazaným stavom vytvoreným z n- a d- kvarky. Prítomnosť v hadróne spolu s n- a d- kvarky jedného s-, s- alebo b-quark znamená, že zodpovedajúci hadrón je "čudný", "začarovaný" alebo "krásny".
Kvarkový model štruktúry hadrónov bol potvrdený ako výsledok experimentov uskutočnených koncom 60. a začiatkom 70. rokov 20. storočia. 20. storočie Kvarky sa vlastne začali považovať za nové elementárne častice- pravda elementárne častice pre hadrónovú formu hmoty. Nepozorovateľnosť voľných kvarkov má zjavne základnú povahu a dáva dôvod predpokladať, že sú to ony elementárne častice, ktoré dopĺňajú reťazec štruktúrnych zložiek hmoty. Existujú teoretické a experimentálne argumenty v prospech toho, že sily pôsobiace medzi kvarkami so vzdialenosťou neoslabujú, t.j. na vzájomné oddelenie kvarkov je potrebná nekonečne veľká energia, alebo inými slovami, výskyt kvarkov vo voľnom stave je nemožný. To z nich robí úplne nový typ štruktúrnych jednotiek hmoty. Je možné, že kvarky fungujú ako posledný krok pri fragmentácii hmoty.
Krátke historické informácie
Najprv otvorte elementárna častica v atómoch bol elektrón - nosič záporného elektrického náboja (J.J. Thomson, 1897). V roku 1919 E. Rutherford objavil protóny medzi časticami vyrazenými z atómových jadier. Neutróny objavil v roku 1932 J. Chadwick. V roku 1905 A. Einstein predpokladal, že elektromagnetické žiarenie je prúdom jednotlivých kvánt (fotónov) a na tomto základe vysvetlil vzorce fotoelektrického javu. existencia ako špeciálna elementárna častica prvý navrhol W. Pauli (1930); elektronické
Elementárne častice
Je prirodzené začať uvažovať o štruktúre hmoty od „najmenších“ štruktúrnych jednotiek, ktorých existencia je teraz potvrdená. Takéto častice sa nazývajú elementárne, ako viac nedeliteľné (ich štruktúra nie je zistená) a ako základné, z ktorých sa skladá hmota.
Klasifikácia elementárnych častíc.Častice podieľajúce sa na silnej interakcii tvoria rodinu hadrónov. Sú to baryóny (protón R, neutrón n), hyperóny (λ, Σ, atď.), mezóny (π-; k-), ako aj veľká skupina takzvaných rezonančných častíc (rezonancií). Baryóny majú polovičné celočíselné rotácie, mezóny majú celočíselné rotácie. Baryóny sa od mezónov líšia takzvaným baryónovým nábojom, v súvislosti s ktorým je premena baryónov na mezóny zakázaná zákonom o zachovaní baryónového náboja. Ide o dôležitú vlastnosť, ktorá zabezpečuje stabilitu jadier a následne aj celého okolitého sveta. V skutočnosti, ak by sa nukleóny, ktoré sú baryónmi (protón a neutrón), mohli zmeniť na mezóny, potom by sa atómové jadrá nakoniec rozpadli. Hadróny nie sú skutočne elementárne častice, to znamená, že majú vnútornú štruktúru. To vysvetľuje najmä nestabilitu väčšiny hadrónov.
Dnes možno považovať za preukázanú existenciu skutočne základných bezštruktúrnych častíc, ktoré tvoria hadróny. Tieto častice sa nazývajú kvarky (Gell-Mann, Zweig, 1963). Zatiaľ neboli experimentálne zistené, pravdepodobne toky, ktoré neexistujú samostatne, teda vo voľnom stave. Je známe, že náboj kvarkov je násobkom 1/3 e a rotácia je 1/2. Predpokladá sa, že existuje šesť druhov kvarkov, ktoré sa vyznačujú charakteristikou zvanou „chuť“ (hore, dole, šarm, zvláštny, pravdivý, pôvabný); každý kvark sa vyznačuje aj určitým kvantovým číslom – „farbou“ (červená, zelená, modrá). Všetky baryóny pozostávajú z troch kvarkov (napríklad protón z dvoch najvyšších s nábojmi +2/3 e a jeden nižší s nábojom - 1/Z e). Podľa „farby“ sa trio kvarkov „vyberie“ tak, aby protón bol „biely“. Mezóny sa skladajú z kvarku a antikvarku.
Všetky ostatné častice (okrem fotónu), ktoré sa nezúčastňujú silných interakcií, sa nazývajú leptóny. Rodinu leptónov predstavuje šesť bezštruktúrnych („bodových“) častíc: elektrón e, mión μ, tau-leptón (taon) τ a neutrína zodpovedajúce týmto časticiam ( v e , v μ , v τ).
Podľa princípu kvark-leptónovej symetrie každý leptón zodpovedá určitému kvarku (tab. 5.2).
Tabuľka 5.2.
Kvarky a leptóny sa teda dnes spolu s časticami-nosičmi interakcií považujú za skutočne elementárne (fundamentálne) častice. Z leptónov a kvarkov prvej generácie spolu s fotónmi je vybudovaný moderný vesmír. Predpokladá sa, že častice druhej a tretej generácie zohrali dôležitú úlohu v ranom vesmíre, v prvých okamihoch Veľkého tresku, zatiaľ čo rozdiel medzi kvarkami a leptónmi neexistoval.
Hlavné charakteristiky elementárnych častíc. Jednou z najdôležitejších vlastností elementárnych častíc je stabilita, teda schopnosť byť určitý čas (životnosť) vo voľnom stave. Spomedzi experimentálne zistených častíc je stabilných len niekoľko. Protón, elektrón, fotón a, ako sa verí, neutrína všetkých typov môžu existovať neobmedzene vo voľnom stave. Všetky ostatné častice, ktoré majú tendenciu prejsť do stavu s minimálnou energiou, sa viac či menej rýchlo rozpadajú a dosiahnu konečný stabilný stav. Najkratšia životnosť (~10 -23 s) je pre rezonančné častice. Neutrón vo voľnom stave existuje ~10 3 s. V rodine leptónov mión „žije“ ~10-6 s, taon ~10-12 s.
Predpokladá sa, že elementárne častice s krátkou životnosťou v prírode hrajú rozhodujúcu úlohu napríklad v extrémnych podmienkach, podobne ako v počiatočných fázach formovania vesmíru.
odpočinkové omše stabilné elementárne častice majú tieto významy: protón m p ≈ 1,67 10 -27 kg, elektrón m e ≈ 0,91 10 -30 kg. Fotón a všetky typy neutrín majú nulovú pokojovú hmotnosť.
Hmotnosti elementárnych častíc sú spravidla vyjadrené v energetických jednotkách - elektrónvoltoch. Potom m p ≈938,3 × 106 eV = 938,3 MeV, m e ≈ 0,51 MeV.
Elementárne častice majú elektrický náboj +e alebo -e alebo sú elektricky neutrálne.
Elektrónový náboj e rovná - 1,6 10 -19 C.
Jednou z najdôležitejších vlastností elementárnych častíc je spin. Hodnota spinu určuje typ vlnovej funkcie (symetrická alebo antisymetrická) a typ štatistiky (tj zákon, ktorý popisuje správanie sa skupiny mikročastíc). Častice s nulovým alebo celočíselným spinom (fotóny, π-mezóny atď.) sa riadia Bose-Einsteinovou štatistikou a nazývajú sa bozóny. Častice s polovičným spinom (elektróny, protóny, neutróny) sa riadia Fermi-Diracovou štatistikou a nazývajú sa fermióny. Základné fermióny sú leptóny a kvarky. Fermióny sa riadia Pauliho princípom, podľa ktorého v žiadnom systéme identických fermiónov nemôžu byť dva z nich súčasne v rovnakom stave. Ako sa aplikuje na distribúciu elektrónov v atóme, Pauliho princíp hovorí; že v tom istom atóme nemôže byť viac ako jeden elektrón s rovnakou sadou štyroch kvantových čísel n,l,m a σ .
Pauliho princíp je založený na nerozoznateľnosti identických kvantových častíc. Keď sú dva fermióny zamenené, vlnová funkcia musí zmeniť svoje znamienko. Ak sú však stavy dvoch fermiónov (t. j. ich množiny kvantových čísel) rovnaké, potom by funkcia ψ nemala zmeniť znamienko. Tento rozpor je formálne odstránený až vtedy, keď ψ=0, čo znamená nemožnosť (nulovú pravdepodobnosť) nájsť časticu v takomto stave.
Antičastice. Pre každú známu elementárnu časticu existuje takzvaná antičastica. Hmotnosti, životnosť a rotácie častice a antičastice sú rovnaké. Ostatné charakteristiky, napríklad elektrický náboj, magnetický moment, sú rovnaké v absolútnej hodnote, ale opačné v znamienku. Takýmito pármi sú napríklad protón R a antiprotón, elektrón - a antielektrón e+ (t.j. pozitrón e+). Niektoré častice, ako napríklad fotón, sú identické so svojimi antičasticami.
Antičastice sa rodia v jadrových reakciách pri dostatočne vysokých energiách, ale ich životnosť je krátka v hmote. Keď sa častica stretne s antičasticou, dôjde k anihilácii. Hmotnosť a kinetická energia páru „častica-antičastica“ sa premieňa na energiu fotónov alebo iných častíc. Napríklad, keď elektrón a pozitrón anihilujú, uvoľnia sa dva fotóny:
e - + e+ → 2γ.
Fotóny sa zase môžu zmeniť na páry elektrón-pozitrón. V takýchto reakciách sa zreteľne prejavuje absencia jasnej hranice medzi poľom a hmotou, ktorá je charakteristická pre klasický obraz sveta.
Atómové jadrá
Ďalším v uvažovanej hierarchii objektov prírody je atómové jadro. Jadro je prepojený systém dvoch typov hadrónov – protónov a neutrónov, ktoré sú v tomto prípade spojené spoločným názvom „nukleóny“. Protón je jadrom najjednoduchšieho atómu, atómu vodíka. Má kladný náboj, ktorý sa číselne rovná náboju elektrónu. Neutrón je elektricky neutrálny. Neutrónová hmotnosť m n \u003d 1,6750 10 -27 kg. Počet protónov v jadre atómu sa nazýva atómové číslo ( Z) a celkový počet nukleónov je hmotnostné číslo ( ALE). Jadrový náboj je kladný a rovný Z · e. Väčšina atómových jadier je reprezentovaná skupinami izotopov. Nabite Z v každej skupine izotopov je konštantná, ale počet neutrónov je odlišný. Existujú stabilné, dlhoveké a rádioaktívne izotopy. Príčiny rádioaktívnej nestability sú spojené s nedostatkom alebo nadbytkom neutrónov vo vnútri jadra.
Veľkosť jadra je podmienene charakterizovaná polomerom R jadier. Polomer sa zvyšuje s počtom nukleónov podľa vzorca , kde R 0 = (1,3 ..., 1,7) · 10 -15 m Hustota "zbalenia" nukleónov v jadre je veľmi vysoká a predstavuje ~10 44 nukleónov/m 3 alebo 10 17 kg/m 3 .
Ako už bolo uvedené, stabilita jadra sa vysvetľuje prítomnosťou silnej interakcie alebo jadrových síl príťažlivých síl príťažlivosti. Energia potrebná na udržanie nukleónov v jadre je v súlade so zákonom zachovania energie určená prácou, ktorá sa musí vykonať na rozdelenie jadra na jednotlivé nukleóny. Táto energia sa nazýva väzbová energia jadra. Väzbová energia sa prejavuje poklesom hmotnosti jadra počas jeho tvorby v porovnaní s celkovou hmotnosťou nukleónov, ktoré tvoria jadro:
Hodnota Δ m sa nazýva hromadný defekt. Väzbová energia je definovaná ako
Zvyčajne je jadro charakterizované špecifickou väzbovou energiou, t.j. energiou na nukleón. Na obr. 5.3 je znázornená závislosť špecifickej väzbovej energie od hmotnostného čísla ALE charakterizujúce silu väzby nukleónov v jadrách rôznych chemických prvkov. Ako vyplýva z grafu, väzby jadier prvkov s hmotnostnými číslami (28 ... 138) sú najsilnejšie. Ako sa zvyšujete ALE väzbová energia klesá. Pokles sily jadier sa vysvetľuje skutočnosťou, že v ľahkých jadrách nie sú väzby nukleónov nasýtené a v ťažkých jadrách sa začína ovplyvňovať coulombovské odpudzovanie protónov od seba.
Z obr. 5.3 tiež ukazuje, že procesy tvorby stabilnejších jadier (t.j. charakterizovaných veľkými hodnotami Δ E SW sú sprevádzané uvoľňovaním energie. Z energetického hľadiska sú teda perspektívne fúzna reakcia ľahkých jadier so vznikom ťažších (šípka 1 na obr. 5.3) a štiepne reakcie ťažkých jadier (šípka 2 na obr. 5.3).
Táto problematika je podrobne rozobratá v druhej časti kurzu.
Jadrové reakcie. Rádioaktivita. Jadrové reakcie sú procesy, pri ktorých sa jadrá niektorých prvkov získavajú z jadier iných prvkov. Tieto procesy sa môžu vyskytnúť ako dôsledok vonkajších vplyvov (napríklad „zrážky jadra s inými časticami“), ako aj spontánne, spontánne (rádioaktívny rast).
Jadrové reakcie sa píšu ako chemické reakcie. Napríklad v dôsledku štiepnej reakcie jadra uránu pri zrážke s neutrónom vznikajú jadrá cézia a rubídia a dva neutróny:
Na uskutočňovanie jadrových reakcií sa najčastejšie využíva ožarovanie jadra neutrónmi. Faktom je, že elektricky neutrálny neutrón nezaznamená coulombovské odpudzovanie protónov jadra a ľahko do neho preniká. Pôsobením vysokoenergetického (>100 MeV) ožiarenia neutrónmi sa rozdelia všetky jadrá.
Neutróny uvoľnené pri rozpadových reakciách môžu spôsobiť štiepenie iných jadier, vďaka čomu dochádza k reťazovej reakcii - lavínovému procesu, napríklad výbuchu atómovej bomby. Časť neutrónov môže byť odstránená zo štiepneho materiálu, potom môže byť riadená štiepna reakcia. Absorpcia neutrónov v grafitových tyčiach sa využíva v jadrových reaktoroch.
Spontánny rozpad jadier s emisiou rôznych častíc sa nazýva rádioaktivita. Pri akomkoľvek rádioaktívnom rozpade hmotnosť počiatočného jadra presahuje jednotkovú hmotnosť narezaných produktov, t.j. energia sa uvoľňuje. Prirodzenú rádioaktivitu objavil A. Bskkerel (1896) a umelú - manželia Joliot-Curieovci (1936). Hlavnými typmi rádioaktivity sú alfa, beta a gama rozpady.
Alfa rozpad spočíva v spontánnej emisii ci-častice jadrom (t.j. jadrom hélia). Alfa rozpad sa pozoruje iba v ťažkých jadrách so Z ≥ 82.
Počas beta rozpadu jadro emituje elektrón a elektrónové antineutríno (alebo pozitrón a elektrónové neutríno):
Beta rozpad je spôsobený transformáciou nukleónov spôsobenou slabou interakciou, napríklad v prvej zo zaznamenaných reakcií nastáva transformácia neutrónu podľa schémy
Gama rozpad spočíva v emisii vysokoenergetických fotónov (γ-kvanta) jadrom. Jadro, ktoré je kvantovým systémom, môže byť v stavoch s rôznymi energiami. Pri prechodoch z excitovaných energetických stavov na zem, nevybudené, jadrá emitujú γ-kvantá. V tomto prípade ani hmotnostné číslo A, ani atómové číslo jadra Z nemeň.
