Структура речовини. Загальні відомості про елементарні частинки.
 Елементарні частинки – це первинні частинки, які дальше не розпадаються, з них складається вся матерія.
Термін "елементарні частинки” часто використовується в сучасній фізиці для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії , які не являються атомами і атомними ядрами (виняток складає ядро атома водню–протон).
Здавна вчені намагалися знайти найменші «цеглинки» матерії, які б допомогли зрозуміти структуру будови речовини. Спочатку, у давніх греків, це були атоми як неподільні частинки, з яких складаються, всі тіла (Демокрит, Епікур).
На початку XIX ст. атом вважали найдрібнішою частинкою речовини, що визначає її хімічні властивості (Я. Берцеліус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).
Наприкінці XIX ст., після відкриття електрона (Дж. Томсон) і ґрунтовного дослідження явища радіоактивності (А. Беккерель, П’єр та Марія Кюрі), вчені засумнівалися в елементарності атома і припустили, що він має складну будову.
На початку XX ст. Е.Резерфорд підтвердив це експериментально і запропонував ядерну модель атома, згідно з якою в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, навколо якого рухаються негативно заряджені електрони. У 1919 р. він відкрив нуклон, що має позитивний заряд, незваний протоном. Інша частинка — нейтрон, який входить до окладу ядра і не має електричного заряду, була відкрита у 1932 р. Дж. Чедвіком. Отже,ядро складається з протонів і нейтронів, які ще називають нуклонами. Ядро не розпадається на окремі нуклони тому, що протони і нейтрони взаємодіють через ядерні сили(сильна взаємодія).
Для пояснення обмінного характеру сильної взаємодії нуклонів у ядрі X. Юкава у 1935 р. висловив гіпотезу про існування пі-мезонів, які були виявлені в космічних променях у 1947 р. (С. Пауел). Раніше, у 1932 р. у складі космічних променів була виявлена перша античастинка — позитрон (К. Андерсон). Загалом дослідження космічних променів у 40—50-х роках XX ст., які виявили багато нових мікрочастинок, змусили вчених інакше поглянути на проблему їх елементарності. За сучасними уявленнями це не просто первинні неподільні частинки, що входять до складу матеріального світу, а специфічні об'єкти, яким, окрім іншого, властивий особливий вид фундаментальної взаємодії — так звана слабка взаємодія.
За інтенсивністю слабка взаємодія в багато разів менша за сильну і навіть електромагнітну взаємодії (приблизно в 1014 разів). Проте вона значно більша за гравітаційну взаємодію, оскільки маси елементарних частинок надто малі і радіус їхньої взаємодії становить лише 10-18 м.
Висновок про існування частинки електромагнітного поля –фотона– бере свій початок із роботи М. Планка (1900р.) Розвиваючи ідею Планка , А. Ейнштейн (1905р.) доказав , що світло в дійсності являється потоком окремих квантів (фотонів).
Відкриття нейтрино–частинки , яка майже не взаємодіє з речовиною , веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930р.) Експериментально існування нейтрино було доведено лише в 1953р.(Ф.Райнес і К.Коуен, США).
З 30-х до початку 50-х років вивчення елементарних частинок було тісно пов'язано з дослідженням космічних променів. В 1932р. в складі космічних променів К. Андерсоном було винайдено позитрон–частинку з масою електрона , але з негативним електричним зарядом .Позитрон був першою відкритою античастинкою.
В 1936 р. американські фізики К. Андерсон і С. Недермейєр відкрили при дослідженні космічних променів мюони–частинки з масою в 200 мас електрона і дуже близькі до властивостей електрона і позитрона.
В 1947 р. також в космічних променях групою С. Пауела були відкриті p+ и p-мезони з масою в 274 електронні маси , які відіграють важливу роль при взаємодії протонів з нейтронами в ядрах .
Кінець 40-х– початок 50-х рр. 20 ст. ознаменувалось відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями , які одержали назву "незвичайних”. Перші частинки цієї групи К+- і К--мезони, L-, S+ -, S- -, X- -гіперони були відкриті в космічних променях , наступні відкриття незвичайних частинок були зроблені на прискорювачах.
З початку 50-х р. прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок.
Після введення в роботу протонних прискорювачів з енергіями в мільярди разів дозволило відкрити важкі античастинки: антипротон, антинейтрон, антисигма-гіперони.
В 1960-х рр. на прискорювачах було відкрито велику кількість нестійких частинок , які отримали назву "резонансів.” Маси більшості резонансів перевищують масу протона.
У 1962р. було досліджено , що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне .В 1974р. були знайдені масивні і в той же час відносно стійкі у-частинки. Вони тісно пов'язані з новою родиною елементарних частинок – "зачарованих.” В 1975 р. були одержані перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюона (важкого лептона t). В 1977 р. були відкриті Ў-частинки з масою порядку десятка протонних мас. Таким чином, за роки , які пройшли після відкриття електрона , було виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії .
 Усі елементарні частинки характеризуються малими розмірами (у більшості з них порядку 10¯¹⁵ м) і незначними масами.
Нині відомо понад 350 елементарних частинок і відкриття їх триває.
Загальними характеристиками елементарних частинок є їхня маса m, електричний заряд q, спін s і час життя τ.
Масу елементарних частинок виражають числом, кратним масі електрона; електричний заряд — в одиницях, кратних заряду електрона е; спін — кратний значенню сталої Планка h
Залежно від властивого їм типу взаємодій усі елементарні частинки, крім фотона, поділяються на дві основні групи: адрони, які беруть участь в усіх типах взаємодій — гравітаційній, електромагнітній, сильній і слабкій, та лептони, яким не властива сильна взаємодія.
В залежності від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні , квазістабільні і нестабільні (резонанси).Стабільними являються електрон, протон , фотон і нейтрино.
До квазістабільних відносять частинки , які розпадаються за рахунок електромагнітних і слабких взаємодій.
Резонансами називаються елементарні частинки , які розпадаються за рахунок сильних взаємодій. Їх характерний час життя 10¯²³ -10 ¯²⁴ сек.
Для всіх елементарних частинок з нульовими значеннями хоча б одного із зарядів існують античастинки з тими самими значеннями маси , часу життя ,спіну, але з протилежними знаками всіх зарядів. Частинки , які не мають античастинок , називаються абсолютно нейтральними. Прикладом таких частинок служить фотон.
В наведеній нижче таблиці вказані всі відомі елементарні частинки (за винятком так званих резонансів) і дано деякі їх характеристики.
Частинки в таблиці розміщені в порядку зростання їх мас . Частинки з масами, які не перевищують 207 електроних мас (крім однієї з них), складають групу легких частинок – лептонів, частинки з масами понад 207 електронних мас, але меншими за масу протона, входять до групи мезонів(середніх частинок), протон і більш масивні частинки складають групу баріонів. Особливе місце посідає в таблиці фотон. При розгляді таблиці звертають на себе увагу такі факти.
По-перше, лише три з елементарних частинок – електрон, протон і нейтрон є основними: з них побудовані атоми і відповідно весь навколишній речовинний світ.
Заряд елементарної частинки (виражений в елементарних зарядах) дорівнює або +1, або -1, або ж 0;дво- і багатозарядних частинок немає.
Більшість елементарних частинок є нестійкими і мають дуже малий період життя.
Кожній частинці (крім фотона і пі-нуль-мезона) відповідає античастинка.
У 1964 році австрійським фізиком Дж. Цейгом і незалежно від нього американським фізиком М. Гелл-Манном запропонована гіпотеза про існування в природі невеликої кількостібільш фундаментальних,” справді елементарних частинок ”, названих кварками . Згідно з цією гіпотезою, всі мезони і баріони побудовані з кварків і антикварків, з'єднаних між собою в різних комбінаціях.
Найбільш дивна(майже неймовірна) властивість кварків пов'язана з їх електричним зарядом – припускається , що кварки мають дробове зна- чення елементарного електричного заряду. Нині в багатьох фізичних лабораторіях світу ведуться експерементальні пошуки кварків.
На рівні елементарних частинок фактично відсутні істотні відмінності між речовиною і полем як видами матерії .І електрон , і позитрон , і протон , і фотон є як елементарними частинками речовини, так і квантами відповідних полів.
Застосування елементарних частинок
Встановлення факту існування античастинок–позитронів , антинейтронів, антипротонів – привело до нової проблеми–проблеми антиречовини.
Відкриття антипротона дало можливість висловити припущення , що антипротон може захоплювати на зовнішню орбіту позитрон і утворювати "антиатом”, аналогічний до атома Гідрогену, з тією лише різницею, що позитивні й негативні заряди міняються місцями .
З антипротонів і антинейтронів можуть утворюватися "антиядра”й інших елементів, які, захопивши на зовнішню орбіту відповідну кількість позитронів, утворюють антиатоми цих елементів. Сукупність таких антиатомів утворює антиречовину .
Ці припущення дістали експериментальне підтвердження. На сьогодні одержано важкий антиводень (антидейтерій), антигелій і антитритій.
Властивості антиречовини нічим не відрізняються від властивостей звичайної речовини, але разом речовина й антиречовина існувати не можуть взаємодіючи , атоми речовини й антиречовини зникають , перетворюючись у фотони та інші частинки . При такому перетворенні дефект маси досягає максимуму і виділяється максимально можлива , згідно з законом взаємозв'язку маси й енергії , кількість повної енергії. Таким чином , антиречовина є найбільш досконалим , найбільш "калорійним” паливом. Але це паливо необхідно не лише навчитися добувати , а й зберігати , оскільки воно має бути старанно ізольоване від звичайної речовини . Чи зможе людство успішно розв'язати цю проблему, покаже майбутнє.
Вчені припускають можливість існування окремих зір , а можливо , й цілих зоряних систем (галактик), які складаються з антиречовини , – антисвітів. Зустріч у світовому просторі зірок з двома типами речовини закінчилося б гігантським вибухом, зумовленим спільним зникнення атомів і антиатомів–перетворенням їх у фотони та інші частинки.
Частинки нейтрино характеризуються величезною проникаючою здатністю : одна така частинка може пройти крізь шар сталі товщиною в діаметр нашої галактики. Також вдається зафіксувати окремі взаємодії антинейтрино з атомами речовини . Такі взаємодії зрідка спостерігаються поблизу атомних реакторів , які випромінюють дуже сильні нейтринні потоки.
В останні роки високого розвитку досягла астрономія. Появилися нові розділи астрономії: радіо-і рентгеноастрономія , нейтринна астрономія . Відкриті нові космічні об'єкти – радіозірки, квазари, пульсари і т. д. Загальноприйнятим стало відкриття пульсарів як нейтронних зірок , деякі з них являються залишками вибухів понад нових зірок , як знаменитий пульсар в центрі Крабовидної туманності .
Спостерігається розвиток нейтринної астрономії.
В наш час відомими нам закономірностями не можна пояснити інтенсивність випромінювання квазарів , які ми спостерігаємо, не все зрозуміло в процесах утворення чорних дірок , не знайдено на досліді антинейтринне випромінювання Сонця, яке повинно супроводжувати термоядерну реакцію в надрах нашого світила.
Зміщення спектральних ліній доказує , що галактики розбігаються , чим дальше від нас галактика , тим більша її швидкість зникнення . Причини розбігання ми не знаємо , але існує думка , що колись всі галактики почали розбігатися з однієї точки . Тоді в цій точці повинна була вибухнути якась частинка , енергія якої розподілилася між всіма галактиками , які виникли внаслідок цього вибуху. Так наука про макрокосмос – астрономія – поєднується з наукою про мікрокосмос – фізикою елементарних частинок .
Цікавим являється питання про модель нашого Всесвіту: чи припиниться коли-небудь розбігання галактик і чи воно буде продовжуватися вічно? Іншими словами, чи справедлива модель пульсуючого Всесвіту? Існує гіпотеза, що наявність маси спокою у всіх нейтрино робить середню густину Вселеної достатньою для існування пульсуючого Всесвіту.
| 