В течение целого столетия учёным казалось, что атомы действительно обладают свойством неделимости, так как во всех взаимодействиях между собой они вели себя как неделимые частицы. Однако в конце
XIX — начале XX столетия неделимость атома была поставлена под сомнение. В то время были открыты катодное и рентгеновское излучения, радиоактивность. Всё это указывало на сложный состав и общность структуры разных атомов.
В 1911 г. было установлено, что любой атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Этот год можно считать годом рождения ядерной физики, главной задачей которой является изучение атомного ядра.
Первые сведения о структуре ядра были получены в 1919 году, когда в составе ядра открыли протоны. Вначале ошибочно предполагали, что в составе ядра кроме протонов имеются ещё и электроны. Ошибка была исправлена в 1932 году, когда в
составе ядра открыли нейтроны. Теперь изучение любого вещества независимо от его состояния (твёрдого, жидкого, газообразного) и конкретного вида в конечном итоге сводится к изучению свойств и взаимодействия трёх частиц: протонов, нейтронов и электронов. Любой атом состоит из этих частиц.
Сравнительно недавно в связи с развитием работ по получению управляемой термоядерной реакции физики ввели на равных правах новое, четвёртое состояние вещества — плазму.
Плазма состоит не из атомов, а непосредственно из ядер (или ионов) и электронов, не связанных между собой.
Физики и астрономы предполагают также существование ещё одного состояния вещества — чисто нейтронного. И в этих двух случаях всё сводится к свойствам протонов, нейтронов и электронов.
Изучением свойств элементарных частиц занимается специальная наука — физика элементарных частиц, которая раньше была одним из небольших разделов ядерной физики. Сейчас
это изучение продвинулось уже настолько далеко и глубоко, что вновь появилась надежда на сокращение числа первичных элементов, из которых построен мир, и не исключено, что этих элементов будет сравнительно немного.
Подробно:
Физика ядра и элементарных частиц
Элементарные частицы
Владимир Каланов.
Элементарными частицами принято называть мельчайшие известные нам частицы материи. Термин
«элементарные» в данном случае должен был бы означать «простейшие, далее не делимые». Частицы же, именуемые элементарными, не вполне соответствуют такому
определению, и поэтому термин «элементарные» для них в известной мере условен.
Сравнение размеров атома и его составных частей
Не существует также чёткого критерия, на основании которого известные нам частицы материи следовало бы относить к категории элементарных.
Как правило, к ним относятся все мельчайшие частицы материи, за исключением атомных ядер с атомным номером до единицы включительно, то есть так называемые субъядерные микрообъекты.
В начале 30-х годов XX века, когда были известны только электрон, протон и γ-квант, имелись основания называть эти
частицы элементарными, ведь тогда казалось, что из них и состоит вся наблюдаемая материя: ядра и атомы веществ, электромагнитное поле.
Открытия мюона (1936 г.), π-мезона (1947 г.), странных
частиц (50-е годы XX в.), так называемых резонансов (т.е. нестабильных частиц) (60-е годы XX в.)
существенно усложнило картину. Динамика открытий новых частиц впечатляет. Так, в 1972 году общее число известных стабильных и квазистабильных (т.е. достаточно
долго живущих) элементарных частиц, включая античастицы, составляло 55, в 1980 — уже 200, в 1983 — около 300, в 1986 году это число приближалось к 400, в настоящее
время перечень элементарных частиц и их свойств The Book of the Review of Particle Physics(Обзор состояния физики
элементарных частиц), регулярно публикуемый международной организацией
Particle Data Group, представляет собой собрание нескольких десятков документов общим объемом более 550 страниц! Несмотря на обилие теорий, порой
альтернативных и противоречащих друг другу, в настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их
взаимодействий, которая называется стандартной моделью. Стандартная модель с большой точностью подтверждается многочисленными экспериментами, а все предсказанные ею
элементарные частицы уже найдены. Однако она не является универсальной Теорией Всего Сущего, поскольку не объясняет все фундаментальные явления и типы взаимодействий, например гравитация не учитывается стандартной моделью.
Большинство элементарных частиц нестабильно. Так, время жизни
заряженных π-мезонов (читается: Пи-мезо́н) составляет 2,56·10-8 сек, нейтральных π-мезонов — 1,8·10-6 сек,
они постепенно превращаются в более лёгкие элементарные частицы. Таким образом, требование неразложимости элементарных частиц нарушается. В то же время, неверно
было бы считать, что они состоят из продуктов своего же распада, кроме того, одна и та же элементарная частица может распадаться на различные элементарные частицы. Термин «элементарная частица» применительно к известным частицам
материи потерял свой простой наглядный смысл. Этот термин в определённом смысле повторил историю сло́ва «атом», которое в переводе с греческого означает «неделимый».
Стандартная модель
Согласно теории стандартной модели существует два основных вида элементарных частиц: фермионы и бозо́ны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас
вещества, а бозо́ны — переносчиками взаимодействия между «кирпичиками» — фермионами.
Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путём обмена квантами электромагнитного поля — фотонами. Фотон электрически нейтрален. Сильное взаимодействие
осуществляется за счёт обмена глюо́нами (g) — электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия. Глюо́ны переносят цветовой заряд. В слабом взаимодействии принимают участие все
лептоны и все кварки. Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные
W- и Z — бозо́ны. Существуют положительные W+ — бозо́ны и отрицательные W- — бозо́ны, являющиеся античастицами по отношению друг к другу. Z — бозо́н электрически нейтрален.
Сравнение основных параметров фермионов и бозо́нов
Фермионы
Бозоны
Роль
Кирпичики вещества (лептоны и кварки), а также барионы.
Переносчики взаимодействий (частицы поля, иначе - частицы излучения) (фотон, W—бозоны, Z— бозон, гравитон — ещё не открыт), а также мезоны.
Спин
Нецелый (1/2, 3/2, 5/2..)
Целый (0, 1,2...)
Фермионы делятся на кварки и лептоны, которые взаимодействуют друг с другом с помощью двух типов взаимодействия: сильного и электрослабого. В слабом взаимодействии
принимают участие все лептоны и все кварки.
• кварки участвуют также в сильном взаимодействии за счёт обмена одним из типов бозонов, которые
называются глюо́нами, глюоны электрически нейтральны и безмассовы, переносят цветовой заряд (см. далее главу кварки);
• лептоны участвуют в электрослабом взаимодействии за счёт обмена другими типами бозо́нов: W+— бозо́на, W-— бозо́на и Z— бозо́на.
Следует отметить, что фермионом или бозо́ном может
быть не только элементарная частица, но и ядро атома, в зависимости от нечётности или чётности общего числа его протонов и нейтронов соответственно. Совсем недавно физики открыли странное поведение некоторых атомов в необычных условиях, например, сверхохлаждённого гелия.
Свойства фермионов (массы указаны в условных единицах относительно массы электрона) - см.*)
Лептоны
Кварки
Аромат
Масса
Заряд
Аромат
Масса
Заряд
ve
(0+254)х10-9
0
u
4
2/3
e-
1
-1
d
10
-1/3
vµ
(18+254)х10-9
0
c
2544
2/3
µ
207
-1
s
196
-1/3
vτ
(78-274)х10-9
0
t
338561
2/3
τ
3478
-1
b
8219
-1/3
*) Поскольку массы элементарных частиц чрезвычайно малы (масса электрона me=9,1·10-28
г), пользуются системой единиц, в которой масса и энергия имеют одинаковую размерность и выражаются в электронвольтах (эВ) и производных единицах
(Мэв, ГэВ и т.д.). Массы известных элементарных частиц изменяются от нуля (фотон) до 176 ГэВ (t - кварк); для
сравнения: масса электрона me =0,511 Мэв, а масса протона mp =938,2 Мэв.
