Riječ atom znači "nedjeljiv". Uveli su ga grčki filozofi za označavanje najsitnijih čestica od kojih se, prema njihovoj zamisli, sastoji materija.

Fizičari i hemičari devetnaestog veka usvojili su termin za najmanje čestice koje su im poznate. Iako smo dugo mogli "cijepiti" atome i nedjeljivo je prestalo biti nedjeljivo, ipak je ovaj termin sačuvan. Prema našoj sadašnjoj zamisli, atom se sastoji od najmanjih čestica, koje nazivamo elementarne čestice. Postoje i druge elementarne čestice koje zapravo nisu sastavni dio atomi. Obično se proizvode pomoću moćnih ciklotrona, sinhrotrona i drugih akceleratora čestica posebno dizajniranih za proučavanje ovih čestica. Takođe nastaju kada kosmičke zrake prolaze kroz atmosferu. Ove elementarne čestice se raspadaju nakon nekoliko milionitih delova sekunde, a često i u kraćem vremenskom periodu nakon pojave. Kao rezultat raspadanja, oni se ili mijenjaju, pretvarajući se u druge elementarne čestice, ili oslobađaju energiju u obliku zračenja.

Proučavanje elementarnih čestica fokusira se na sve veći broj kratkotrajnih elementarnih čestica. Iako je ovaj problem od velike važnosti, posebno zato što je povezan sa najosnovnijim zakonima fizike, ipak se proučavanje čestica trenutno odvija gotovo izolovano od drugih grana fizike. Iz tog razloga ćemo se ograničiti na razmatranje samo onih čestica koje su trajne komponente najčešćih materijala, kao i nekih čestica koje su im vrlo bliske. Prva od elementarnih čestica otkrivenih krajem devetnaestog veka bio je elektron, koji je tada postao izuzetno koristan sluga. U radio cijevima, tok elektrona se kreće u vakuumu; a podešavanjem ovog toka dolazeći radio signali se pojačavaju i pretvaraju u zvuk ili šum. U televizoru, elektronski snop služi kao olovka koja trenutno i tačno replicira na ekranu prijemnika ono što vidi kamera predajnika. U oba ova slučaja, elektroni se kreću u vakuumu tako da, ako je moguće, ništa ne ometa njihovo kretanje. Još jedno korisno svojstvo je njihova sposobnost, prolazeći kroz gas, da ga usijaju. Dakle, dopuštajući elektronima da prođu kroz staklenu cijev ispunjenu plinom pod određenim pritiskom, koristimo ovaj fenomen za proizvodnju neonske svjetlosti, koja se koristi noću za osvjetljavanje glavni gradovi. I evo još jednog susreta s elektronima: munje su bljesnule, a mirijadi elektrona, probijajući se kroz gustinu zraka, stvaraju kotrljajući zvuk groma.

Međutim, u kopnenim uslovima relativno nema veliki broj elektrona koji se mogu slobodno kretati, kao što smo vidjeli u prethodnim primjerima. Većina njih je sigurno vezana u atome. Budući da je jezgro atoma pozitivno nabijeno, ono privlači negativno nabijene elektrone k sebi, prisiljavajući ih da ostanu u orbitama koje su relativno blizu jezgri. Atom se obično sastoji od jezgra i određenog broja elektrona. Ako elektron napusti atom, obično biva odmah zamijenjen drugim elektronom, kojeg atomsko jezgro privlači velikom silom iz svog neposrednog okruženja.

Kako izgleda ovaj divni elektron? Niko ga nije video i nikada ga neće videti; a ipak toliko dobro poznajemo njegova svojstva da možemo vrlo detaljno predvidjeti kako će se ponašati u najrazličitijim situacijama. Znamo njegovu masu (njegovu "težinu") i električni naboj. Znamo da se on većinu vremena ponaša kao da se suočava sa vrlo malim čestica, u drugim slučajevima otkriva svojstva talasi. Izuzetno apstraktnu, ali u isto vrijeme vrlo preciznu teoriju elektrona u svom konačnom obliku predložio je prije nekoliko decenija engleski fizičar Dirac. Ova teorija nam daje priliku da odredimo pod kojim okolnostima će elektron biti više nalik čestici i pod kojim okolnostima će prevladati njegov talasni karakter. Ova dvojna priroda - čestica i talas - otežava davanje jasne slike o elektronu; stoga, teorija koja uzima u obzir oba ova koncepta, a ipak daje potpuni opis elektrona, mora biti vrlo apstraktna. Ali bilo bi nerazumno ograničiti opis tako izuzetnog fenomena kao što je elektron na takve zemaljske slike kao što su grašak i valovi.

Jedna od premisa Diracove teorije elektrona bila je da mora postojati elementarna čestica koja ima ista svojstva kao i elektron, osim što je pozitivno, a ne negativno. Zaista, takav elektronski blizanac je otkriven i imenovan pozitron. Dio je kosmičkih zraka, a nastaje i kao rezultat raspadanja određenih radioaktivnih supstanci. U zemaljskim uslovima život pozitrona je kratak. Čim se nađe u blizini elektrona, a to se dešava u svim supstancama, elektron i pozitron se međusobno „istrebljuju“; pozitivni električni naboj pozitrona neutralizira negativni naboj elektron. Pošto je, prema teoriji relativnosti, masa oblik energije, i pošto je energija "neuništiva", energija predstavljena kombinovanim masama elektrona i pozitrona mora se nekako uskladištiti. Ovaj zadatak obavlja foton (kvant svjetlosti), ili obično dva fotona, koji se emituju kao rezultat ovog fatalnog sudara; njihova energija je jednaka ukupnoj energiji elektrona i pozitrona.

Također znamo da se odvija i obrnuti proces, foton može pod određenim uvjetima, na primjer, leteći blizu jezgra atoma, stvoriti elektron i pozitron „ni iz čega“. Za takvu kreaciju mora imati energiju od najmanje jednaku energiju, što odgovara ukupnoj masi elektrona i pozitrona.

Dakle, elementarne čestice nisu vječne ili trajne. I elektroni i pozitroni mogu doći i otići; međutim, energija i rezultirajući električni naboji su očuvani.

Sa izuzetkom elektrona, elementarna čestica koja nam je poznata mnogo ranije od bilo koje druge čestice nije pozitron, što je relativno rijetko, već proton je jezgro atoma vodika. Kao i pozitron, on je pozitivno naelektrisan, ali njegova masa je oko dve hiljade puta veća od mase pozitrona ili elektrona. Kao i ove čestice, proton ponekad pokazuje valna svojstva, ali samo pod izuzetno posebnim uslovima. To što je njegova talasna priroda manje izražena je zapravo direktna posledica njegove mnogo veće mase. Priroda talasa, koja je karakteristična za svu materiju, ne postaje nam od velike važnosti sve dok ne počnemo da radimo sa izuzetno lakim česticama, kao što su elektroni.

Proton je vrlo česta čestica. Atom vodonika se sastoji od protona, koji je njegovo jezgro, i elektrona koji kruži oko njega. Proton je također dio svih drugih atomskih jezgara.

Teoretski fizičari su predvidjeli da proton, kao i elektron, ima antičesticu. Otvaranje negativni proton ili antiproton, koji ima ista svojstva kao i proton, ali je negativno nabijen, potvrdio je ovo predviđanje. Sudar antiprotona sa protonom ih oboje "istrebljuje" na isti način kao u slučaju sudara elektrona i pozitrona.

Još jedna elementarna čestica neutron, ima gotovo istu masu kao proton, ali je električno neutralan (bez električni naboj općenito). Njegovo otkriće tridesetih godina našeg veka - otprilike istovremeno sa otkrićem pozitrona - bilo je izuzetno važno za nuklearna fizika. Neutron je dio svih atomskih jezgara (sa izuzetkom, naravno, običnog jezgra atoma vodika, koje je jednostavno slobodni proton); Kada se atomsko jezgro razbije, ono oslobađa jedan (ili više) neutrona. Eksplozija atomska bomba nastaje zbog neutrona oslobođenih iz jezgara uranijuma ili plutonijuma.

Pošto se protoni i neutroni zajedno formiraju atomska jezgra, oba se nazivaju nukleoni. Nakon nekog vremena, slobodni neutron se pretvara u proton i elektron.

Poznata nam je još jedna čestica koja se zove antineutron, koji je, kao i neutron, električno neutralan. Ima mnoga svojstva neutrona, ali jedna od fundamentalnih razlika je u tome što se antineutron raspada na antiproton i elektron. Sudarom, neutron i antineutron se međusobno uništavaju,

Photon, ili kvant svjetlosti, izuzetno zanimljiva elementarna čestica. U želji da čitamo knjigu, palimo sijalicu. Dakle, uključena sijalica generiše ogroman broj fotona koji brzinom svetlosti jure u knjigu, kao i u sve ostale uglove prostorije. Neki od njih, udarajući o zidove, odmah umiru, drugi iznova udaraju i odbijaju se od zidova drugih objekata, ali nakon manje od jednog milionitog dijela sekunde od trenutka kada se pojave, svi umiru, osim nekoliko koji uspevaju da pobegnu kroz prozor i skliznu u svemir. Energiju koja je potrebna za generisanje fotona snabdevaju elektroni koji teku kroz upaljenu sijalicu; umirući, fotoni daju ovu energiju knjizi ili drugom objektu, zagrijavajući ga, ili oku, uzrokujući stimulaciju optičkih živaca.

Energija fotona, a time i njegova masa, ne ostaje nepromijenjena: postoje vrlo laki fotoni uz vrlo teške. Fotoni koji proizvode običnu svjetlost su vrlo lagani, njihova masa je samo nekoliko milionitih dijelova mase elektrona. Drugi fotoni imaju masu otprilike istu kao i masa elektrona, pa čak i mnogo više. Primjeri teških fotona su rendgenski i gama zraci.

Evo opšte pravilo: što je lakša elementarna čestica, to je izraženija njena talasna priroda. Najteže elementarne čestice - protoni - otkrivaju relativno slabe karakteristike talasa; oni su nešto jači za elektrone; najjači su fotoni. Zaista, talasna priroda svjetlosti otkrivena je mnogo ranije od njenih korpuskularnih karakteristika. Znamo da svjetlost nije ništa drugo do kretanje elektromagnetnih talasa otkako je to Maksvel demonstrirao tokom druge polovine prošlog veka, ali su Plank i Ajnštajn u osvit dvadesetog veka otkrili da svetlost takođe ima korpuskularne karakteristike, da ponekad se emituje u obliku odvojenih "kvanta", ili, drugim rečima, u obliku struje fotona. Ne može se poreći da je u našim umovima teško ujediniti i spojiti ove dvije naizgled različite koncepcije prirode svjetlosti; ali možemo reći da, poput "dvostruke prirode" elektrona, naša koncepcija tako neuhvatljive pojave kao što je svjetlost mora biti vrlo apstraktna. I samo kada želimo da izrazimo svoju ideju grubim terminima, ponekad moramo uporediti svetlost sa strujom čestica, fotona ili talasnim kretanjem elektromagnetne prirode.

Postoji veza između korpuskularne prirode fenomena i njegovih "talasnih" svojstava. Što je čestica teža, to je njena odgovarajuća talasna dužina kraća; što je duža talasna dužina, odgovarajuća čestica je lakša. X-zrake, koji se sastoje od veoma teških fotona, imaju odgovarajuće veoma kratke talasne dužine. Crveno svjetlo, koje ima veću valnu dužinu od plave svjetlosti, sastoji se od lakših fotona od fotona plave svjetlosti. Najduži elektromagnetski talasi koji postoje - radio talasi - sastoje se od sićušnih fotona. Ovi talasi ni najmanje ne pokazuju svojstva čestica, njihova talasna priroda je u potpunosti dominantna karakteristika.

I konačno, najmanja od svih malih elementarnih čestica je neutrino. Lišen je električnog naboja, a ako ima bilo kakvu masu, onda je blizu nule. Uz malo preterivanja, možemo reći da je neutrino jednostavno lišen svojstava.

Naše znanje o elementarnim česticama je moderna granica fizike. Atom je otkriven u devetnaestom veku, a naučnici tog vremena otkrili su sve veći broj atoma razne vrste atomi; slično tome danas nalazimo sve više elementarnih čestica. I iako je dokazano da se atomi sastoje od elementarnih čestica, ne možemo očekivati ​​da će se, po analogiji, pronaći, nešto elementarnočestice se sastoje od još manjih čestica. Problem sa kojim se danas suočavamo je veoma različit, i nema ni najmanjeg znaka da možemo da podelimo elementarne čestice. Umjesto toga, treba se nadati da će se pokazati da su sve elementarne čestice manifestacije jednog još fundamentalnijeg fenomena. I kada bi to bilo moguće utvrditi, mogli bismo razumjeti sva svojstva elementarnih čestica; mogli izračunati njihove mase i način na koji međusobno djeluju. Mnogo je pokušaja da se pristupi ovom problemu, koji je jedan od najvećih važna pitanja fizike.

Ako pronađete grešku, označite dio teksta i kliknite Ctrl+Enter.

Ne postoji jasna definicija koncepta "elementarne čestice"; obično je naveden samo određeni skup vrijednosti fizičke veličine karakterizira ove čestice i neka od njihovih vrlo važnih karakterističnih svojstava. Elementarne čestice imati:

1) električni naboj

2) odgovarajući ugaoni moment ili spin

3) magnetni moment

4) sopstvena masa - "masa mirovanja"

U budućnosti se mogu naći i druge veličine koje karakterišu čestice, tako da se ova lista glavnih svojstava elementarnih čestica ne bi trebala smatrati potpunom.

Međutim, nemaju sve elementarne čestice (lista njih je u nastavku) kompletan skup gore navedenih svojstava.Neke od njih imaju samo električni naboj i masu, ali nemaju spin (nabijeni pioni i kaoni); ostale čestice imaju masu, spin i magnetni moment, ali nemaju električni naboj (neutron, lambda hiperon); drugi imaju samo masu (neutralni pioni i kaoni) ili samo spin (fotoni, neutrini). Obavezno za elementarne čestice je prisustvo barem jednog od gore navedenih svojstava. Imajte na umu da najvažnije čestice materije - trčanje i elektroni - karakteriše kompletan skup ovih svojstava. Mora se naglasiti da su električni naboj i spin osnovna svojstva čestica materije, odnosno njihove numeričke vrijednosti ostaju konstantne u svim uvjetima.

ČESTICE I ANTIČESTICE

Svaka elementarna čestica ima svoju suprotnost - "antičesticu". Masa, spin i magnetni moment čestice i antičestice su isti, ali ako čestica ima električni naboj, onda njena antičestica ima naboj suprotnog predznaka. Proton, pozitron i antineutron imaju iste magnetne momente i spinove, dok su elektron, neutron i antiproton suprotne orijentacije.

Interakcija čestice sa njenom antičesticom značajno se razlikuje od interakcije sa drugim česticama. Ova razlika se izražava u činjenici da su čestica i njena antičestica sposobne za anihilaciju, odnosno proces u kojem nestaju, a umjesto njih se pojavljuju druge čestice. Tako se, na primjer, kao rezultat anihilacije elektrona i pozitrona pojavljuju fotoni, protoni i antiproton-pioni, itd.

LIFETIME

Stabilnost nije obavezna karakteristika elementarnih čestica. Stabilni su samo elektron, proton, neutrino i njihove antičestice, kao i fotoni. Ostale čestice se pretvaraju u stabilne ili direktno, kao što se dešava, na primjer, s neutronom, ili kroz lanac uzastopnih transformacija; na primjer, nestabilni negativni pion se prvo pretvara u mion i neutrino, a zatim se mion pretvara u elektron i još jedan neutrino:

Simboli označavaju "mionske" neutrine i antineutrine, koji se razlikuju od "elektronskih" neutrina i antineutrina.

Nestabilnost čestica se procjenjuje trajanjem njihovog postojanja od trenutka "rođenja" do trenutka raspadanja; obe ove vremenske tačke su obeležene tragovima čestica u mernim postavkama. U prisustvu velikog broja zapažanja čestica date „vrste“, izračunava se ili „prosečni životni vek“ ili poluperiod raspada.

možete izračunati prosječni životni vijek (tokom kojeg se broj čestica smanjuje za faktor) i poluživot

(pri čemu se ovaj broj prepolovi).

Zanimljivo je napomenuti da:

1) sve nenabijene čestice, osim neutrina i fotona, su nestabilne (neutrini i fotoni se izdvajaju među ostalim elementarnim česticama po tome što nemaju svoju masu mirovanja);

2) od naelektrisanih čestica samo su elektron i proton (i njihove antičestice) stabilni.

Evo liste najvažnijih čestica (njihov broj i dalje raste u ovom trenutku) sa naznakom oznaka i glavnih

svojstva; električni naboj se obično daje u elementarnim jedinicama masa - u jedinicama spina mase elektrona - u jedinicama

(vidi skeniranje)

KLASIFIKACIJA ČESTICA

Proučavanje elementarnih čestica pokazalo je da je njihovo grupisanje prema vrijednostima glavnih svojstava (naboj, masa, spin) nedovoljno. Pokazalo se da je potrebno ove čestice podijeliti u suštinski različite "porodice":

1) fotoni, 2) leptoni, 3) mezoni, 4) barioni

i uvesti nove karakteristike čestica koje bi pokazale da data čestica pripada jednoj od ovih porodica. Ove karakteristike se konvencionalno nazivaju "naboji" ili "brojevi". Postoje tri vrste naknada:

1) leptonsko-elektronsko naelektrisanje;

2) lepton-mion naboj

3) barionski naboj

Numeričke vrijednosti su date ovim nabojima: i -1 (čestice imaju predznak plus, antičestice imaju predznak minus; fotoni i mezoni imaju nula naelektrisanja).

Elementarne čestice poštuju sljedeća dva pravila:

svaka elementarna čestica pripada samo jednoj porodici i karakteriše je samo jedan od gore navedenih naboja (brojeva).

Na primjer:

Međutim, određeni skup različitih čestica može pripadati jednoj porodici elementarnih čestica; na primjer, grupa bariona uključuje proton, neutron i veliki broj hiperona. Predstavljamo podjelu elementarnih čestica na porodice:

leptoni "elektronski": To uključuje elektronski pozitron elektronski neutrino i elektronski antineutrino

"mionski" leptoni: Ovo uključuje mione sa negativnim i pozitivnim električnim nabojem i mionske neutrine i antineutrine.Oni uključuju proton, neutron, hiperone i sve njihove antičestice.

Postojanje ili odsustvo električnog naboja ne dovodi se u vezu s pripadanjem nijednoj od navedenih porodica. Primjećuje se da sve čestice čiji je spin jednak 1/2 nužno imaju jedan od gore navedenih naboja. Fotoni (koji imaju spin jednak jedinici), mezoni - pioni i kaoni (čiji je spin jednak nuli) nemaju ni leptonski ni barionski naboj.

U svemu fizičke pojave, u kojem učestvuju elementarne čestice - u procesima raspadanja; rađanje, uništenje i međusobne transformacije, - poštuje se drugo pravilo:

algebarski zbir brojeva za svaku vrstu naboja posebno se uvijek održava konstantnim.

Ovo pravilo je ekvivalentno trima zakona očuvanja:

Ovi zakoni također znače da su međusobne transformacije između čestica koje pripadaju različitim porodicama zabranjene.

Za neke čestice - kaone i hiperone - pokazalo se da je potrebno dodatno uvesti još jednu karakteristiku zvanu neobičnost i označena sa Kaoni imaju lambda i sigma hiperone - xi-hiperone - (gornji znak za čestice, donji znak za antičestice). U procesima u kojima se opaža pojava (rađanje) čestica sa čudnošću, poštuje se sljedeće pravilo:

Zakon održanja neobičnosti. To znači da pojavu jedne čudne čestice nužno mora pratiti pojava jedne ili više čudnih antičestica, tako da algebarski zbir brojeva prije i poslije

proces rađanja je ostao konstantan. Takođe je primećeno da se zakon održanja neobičnosti ne poštuje u raspadu čudnih čestica, odnosno ovaj zakon važi samo u procesima proizvodnje čudnih čestica. Dakle, za čudne čestice, procesi stvaranja i propadanja su nepovratni. Na primjer, lambda hiperon (neobičnost je jednaka raspadu na proton i negativni pion:

U ovoj reakciji se ne poštuje zakon očuvanja čudnosti, jer proton i pion dobijeni nakon reakcije imaju čudnosti jednake nuli. Međutim, u obrnutoj reakciji, kada se negativni pion sudari sa protonom, ne pojavljuje se jedan lambda hiperon; reakcija se nastavlja formiranjem dviju čestica sa neobičnostima suprotnih predznaka:

Posljedično, u reakciji rađanja lambda-hiperona, primjećuje se zakon održanja neobičnosti: prije i poslije reakcije, algebarski zbir "čudnih" brojeva jednak je nuli. Poznata je samo jedna reakcija raspada u kojoj je zadovoljena konstantnost zbira čudnih brojeva - to je raspad neutralnog sigma hiperona u lambda hiperon i foton:

Još jedna karakteristika čudnih čestica je oštra razlika između trajanja proizvodnih procesa (reda od ) i prosječnog vremena njihovog postojanja (oko ); za druge (ne čudne) čestice ova vremena su istog reda.

Imajte na umu da nas potreba za uvođenjem leptonskih i barionskih brojeva ili naboja i postojanje gornjih zakona održanja navodi da pretpostavimo da ti naboji izražavaju kvalitativnu razliku između čestica različitih tipova, kao i između čestica i antičestica. Činjenica da je česticama i antičesticama potrebno dodijeliti naboje suprotnih predznaka ukazuje na nemogućnost međusobnih transformacija među njima.

Pažnja fizičara i filozofa sada je prikovana za pitanje elementarnih čestica. Šta su elementarne čestice? Sovjetski fizičar V. S. Barašenkov, na pitanje koji se objekat naziva "elementarnim", odgovara: "Ovo je čestica koja se ne može izgraditi od drugih čestica tako da bi se defekt mase u ovom slučaju uporedio sa masom ove čestice ili masama komponentnih čestica tako malih da bi se to moglo zanemariti" (31.1965.9.87). Nešto kasnije, zajedno s D. I. Blokhintsev, napisali su: „Trenutno, grupa elementarnih čestica uključuje sve čestice, čiji se svaki mogući raspad, kako stvarni tako i virtualni, događa s defektom mase usporedivim po veličini s masom originalne čestice. ili sa česticama raspadanja masa" (74, 181).

Po našem mišljenju, elementarne čestice su takve kvalitativno jedinstvene vrste materije koje diskretno interaguju kao jedinstvena cjelina u svim poznatim procesima. Treba reći da je naziv "elementarni" očigledno nesretan. „Izraz „elementarni“ se pre odnosi na nivo našeg znanja“, napisao je poznati italijanski fizičar E. Fermi. „Uopšteno govoreći, možemo reći da u svakoj fazi razvoja nauke elementarnim nazivamo one čestice čije strukture ne znamo i koje smatramo tačkom” (151, 9). Ali u stvarnosti, na osnovu najopštijih razmatranja i eksperimentalnih podataka, može se pokazati da svaka elementarna čestica mora imati strukturu. Ova tvrdnja proizilazi iz analize različitih procesa u kojima učestvuju elementarne čestice. Trenutno je već poznat veliki broj reakcija disperzije, generisanja, transformacije, formiranja nekih elementarnih čestica iz drugih. Ovi eksperimentalni podaci daju osnovu za tvrdnju da elementarne čestice imaju unutrašnju strukturu. Struktura elementarnih čestica jedan je od odraza beskrajnih unutrašnjih i vanjskih veza u prirodi, odraz kretanja materije. Svaki od mikro-objekata ne samo da uzrokuje određene prirodne pojave, već je i sam uslovljen i stoga ima strukturu, strukturu. Na prisutnost strukture u elementarnim česticama već ukazuje činjenica da elementarne čestice nisu jedna ili dvije, već mnogo.

Treba napomenuti da gotovo sve elementarne čestice imaju odgovarajuće antičestice. Navodimo neke od njih: elektron- stabilna čestica mase 9,108 * 10 -28 g i negativnim elementarnim električnim nabojem. Elektroni igraju najvažniju ulogu u strukturi materije, jer su sastavni dio svih atoma.

Photon, ili kvantna elektromagnetno zračenje proizvoljna frekvencija (koncept koji je uveo A. Einstein u svojoj teoriji fotoelektričnog efekta). Posebnost fotona u poređenju sa drugim elementarnim česticama je da se uvek kreće konstantnom brzinom - C = 3*10 10 cm/s (u vakuumu). On nema masu mirovanja, a njegovo zaustavljanje nije ništa drugo do apsorpcija, odnosno kraj njegovog postojanja kao fotona.

Treba reći i o tome proton- pozitivno nabijeno jezgro vodika, elementarna čestica, čija je masa 1836 puta veća od mase elektrona. Sastavni je dio jezgara svih elemenata.

Otvoren je 1932 neutron- čestica lišena električnog naboja s masom od 1838 masa elektrona. Neutroni su, zajedno s protonima, dio atomskih jezgara.

Iste godine je otvoren pozitron, što je antičestica elektrona. Masa pozitrona jednaka je masi elektrona, njegov električni naboj je pozitivan i jednak je elementarnog naboja(naelektrisanje elektrona).

Izuzetno zanimljiva elementarna čestica, lišena električnog naboja, jeste neutrino. Što se tiče njegove mase mirovanja, ovo pitanje i dalje ostaje otvoreno: ili je nula ili vrlo mala. Fina i detaljna merenja spektra raspada tricijuma koje je izvršila grupa koju su činili V. A. Ljubimov, E. G. Novikov, V. Z. Nozika, E. F. Tretjakova i V. S. Kozik na Institutu za teorijsku i eksperimentalnu fiziku (ITEP) Akademije nauka SSSR (283). , 301) ukazuju da neutrino ima masu mirovanja. Poznato je da rad na otkrivanju mase mirovanja neutrina traje već duže vrijeme. Davne 1949. godine objavljen je rad G. Khana i B. Pontecorva u kojem se razmatra pitanje granice mase neutrina. Do 1972. K. Berquist (207, 317) je precizirao željenu granicu, koja je bila blizu 55 eV. Od 1973. godine ovaj rad je započela pomenuta grupa sovjetskih fizičara. Pokazalo se da je masa mirovanja neutrina koju su oni izmjerili vrlo mala - između 14 i 16 eV. Međutim, u uslovima Univerzuma, prisustvo čak i tako male mase mirovanja u neutrinima dovodi do veoma velikih posledica, do promene naših ideja o strukturi i evoluciji Univerzuma.

Ako polazimo od modernog modela vrućeg svemira, onda u njemu sada ima ~ 500 reliktnih neutrina u jednom kubnom centimetru. Proračun uzimajući u obzir njihovu masu pokazuje da 90-99% ukupne mase svemira čini masa neutrina. Kako je pisao akademik Ya. B. Zel'dovich, to znači da živimo u neutrinskom univerzumu. Masa neutrina utiče na starost Univerzuma (smanjuje se), teški neutrini će zaustaviti njegovo širenje i ~ za 20-30*10 9 godina, kao rezultat kompresije, doći će do grandioznog kolapsa Univerzuma. Prisustvo mase mirovanja za neutrine omogućava otkrivanje novih svojstava već poznatih elementarnih čestica. Vrlo lagani neutrino, na primjer, može poslužiti kao indikacija postojanja svijeta superteških čestica 1 . Teoretski predviđeni životni vijek neutrina (10 29 godina) je otprilike 19 redova magnitude duži od starosti Univerzuma (10 10 godina). Otkriće konačne mase u neutrinima (ako se potvrde gornji podaci) biće jedno od njih velika otkrića u modernoj fizici.

1 (Ovo fizičko predviđanje je u skladu sa dijalektičko-materijalističkim principom jedinstva suprotnosti.)

Bez električnog naboja, mase mirovanja, magnetnog momenta, neutrini su izuzetno slabo u interakciji s drugim česticama i vrlo su prodorni. Neutrino se od antineutrina razlikuje po svojoj "spiralnosti", slikovito rečeno, smjeru okretanja u odnosu na smjer kretanja.

Treba napomenuti da se dio sunčeve energije odnosi u svemir u obliku antineutrina koji se emituju kada nuklearne reakcije u dubinama sunca.

Razvijajući teoriju elementarnih čestica, sovjetski fizičari, a prije svega M. A. Markov i B. M. Pontecorvo, predvidjeli su postojanje dvije vrste neutrina u prirodi. Trenutno su već poznata tri tipa neutrina: v e , v μ , v τ i njima odgovarajući antineutrini.

Studije kosmičkih zraka (primarne kosmičke zrake sastoje se uglavnom od protona i α-čestica), kao i eksperimenti na moćnim akceleratorima, doveli su do otkrića niza novih čestica; među njima i čestice srednje mase između mase elektrona i mase protona - mezoni. Godine 1937. otkriveni su μ ± mezoni sa masom od 206,7 elektronskih masa, sa životnim vijekom od 2,22 * 10 -6 s. Osim toga, sada su poznati π +, π-, π 0 mezoni i K-mezoni, velika grupa elementarnih čestica tzv hiperoni, čija masa prelazi masu protona. Tako, na primjer, Ξ - minus hiperon (kaskadni hiperon) ima masu od ~2586 masa elektrona. AT poslednjih godina otkrio niz kratkoživih čestica zajedno uobičajeno ime razlozi 1 .

1 (U sledećem pasusu ovog poglavlja, gde ćemo govoriti o klasifikaciji čestica, nastavićemo njihovu listu.)

Znajući da su atomi svega hemijski elementi, koji se javljaju u prirodi, "sastoje se" od elektrona, protona, neutrona i virtuelnih n-mezona, moglo bi se doći do zaključka da druge čestice ne igraju ulogu u strukturi atoma ili njihovih jezgara, već nastaju samo tokom različitih reakcija u kosmičkih zraka ili laboratorijskih uslova. Međutim, to nije slučaj. Uz navedene vrste čestica, postoje mnoge druge čestice koje su stvarno prisutne u atomima, a postoje i polja koja osiguravaju interakciju čestica.

Zaista, elektron je privučen jezgrima uglavnom zbog elektrostatičkih sila (magnetne i elektromagnetne sile igraju neznatnu ulogu). Kvante ovog polja emituju atomi u obliku fotona tokom prelaska elektrona iz višeg nivo energije na niži ili u sudarima atoma sa drugim atomima.

Elektromagnetno polje je također prisutno u implicitnom, neozračenom stanju u jezgrima, uzrokujući elektrostatičko odbijanje protona i magnetsku interakciju protona i neutrona (pošto oba tipa nukleona imaju magnetne momente), kao i druge manje dodatne sile . To je odavno poznato, a donedavno su ustanovljene samo razne kvantne, u nekim slučajevima vrlo suptilne i teško izračunave i teško uočljive korekcije.

Osim elektromagnetnog polja, postoje i posebna polja u jezgrama atoma povezana s nuklearnim silama koje sputavaju protone i neutrone u jezgrima i nisu ni gravitacijska ni magnetska.

Polje nuklearnih sila, koje imaju ogroman intenzitet, je specifične prirode. To je zbog čestica koje imaju masu. Ovo je pronađeno prvenstveno u teorijski radovi V. Heisenberg, I. Tamm, D. Ivanenko i japanski fizičar G. Yukawa. Pokazalo se da je vrlo teško natjerati atom da zrači, tj. otrgnuti nuklearno polje od nukleona; Nije uzalud ova veza "jaka", najveća od svih poznatih između čestica. Kvanti nuklearnog polja, koje emituju jezgra atoma, u sudarima protona ili neutrona ispostavili su se kao čestice, prosječne mase između elektrona i nukleona. U bliskoj saglasnosti sa teorijskim predviđanjima, oni imaju ceo broj, tačnije, spin koji nestaje S = 0. Ove čestice su nazvane π- mezoni, ili " božuri Njihovo postojanje je bilo predviđeno teoretski.

Polje piona unutar jezgara daje nuklearne sile, baš kao što električno polje između protona i elektrona osiguravaju njihovi naboji. Nuklearne sile između nukleona nastaju zbog činjenice da jedan nukleon emitira virtualni pion, a drugi ga apsorbira. Teorija interakcije nukleona i piona i odgovarajući eksperimenti su napravili veliki napredak i sada razumijemo mnoge aspekte raspršenja piona i njihove proizvodnje. Teorija nuklearnih, uglavnom n-mezonskih, sila je također bila u stanju da objasni mnoge značajne aspekte interakcije između nukleona, posebno njihovu kratkodometnu, nabojnu nezavisnu, necentralnu prirodu i oblik ovisnosti o spinu.

Dakle, uspostavili smo sastav atoma zajedno sa jezgrom: elektroni, protoni, neutroni plus elektromagnetno i mezonsko polje (π-mezon). Čini se da se proučavanje sastava materije sada može smatrati završenim. Međutim, posljednjih decenija otkriven je niz novih elementarnih čestica. Prvo, pokazalo se da su neutroni i pioni nestabilne čestice: spontano se raspadaju, stvarajući nove čestice koje nemaju direktnu ulogu u strukturi tvari. Nabijeni n-mezoni s potrebom, u prosjeku, nakon 2*10 -8 s raspadnu se na neutrino ili, respektivno, u antineutrino plus novu česticu tipa mezona, tzv. :

neutralni mioni su nepoznati. Neutralni pion se izuzetno brzo, nakon vremena od otprilike 10 -16 s, raspada na dva γ-fotona:

Slobodni neutron se nužno raspada, poživevši u prosjeku oko 12 minuta, na proton, elektron i neutrino (tačnije, antineutrino):

Propadanje nuklearnih neutrona zavisi od stabilnosti čitavog jezgra: elektroni koji nastaju u ovom slučaju nazivaju se beta česticama (β).

Drugo, u sudaru već poznatih čestica (π, ρ, n, μ, itd.) visoke energije nastaju različite nove čestice, posebno superteški hiperoni, koji premašuju masu nukleona (protona i neutrona), i nove K-mezoni, teži od božura. U ovom slučaju se također stvaraju različite "antičestice" ili čestice konjugirane nabojom, koje su "zrcalne" slike običnih čestica. Na primjer, tokom prolaska fotona sa energijom od preko 1 milion elektron volti, u blizini jezgra može se pojaviti par: elektron + pozitron.

Svaka elementarna čestica ima različita svojstva, a to potvrđuje marksističko-lenjinistički stav o neiscrpnosti materije. Svaka vrsta materije koju je nauka otkrila u procesu beskonačnog poznavanja prirode ima veliki broj svojstava koja zavise od strukture samih materijalnih objekata i od beskonačnog broja veza između njih.

Marksističko-lenjinistička filozofija skreće pažnju na činjenicu da svaki fenomen, svako tijelo ima svoju suštinu, koja se manifestuje u tim pojavama i predmetima. Elementarna čestica, tačnije mikro-objekat, ima svoju suštinu. Ali ova suština je uglavnom neotkrivena, nepoznata, "stvar za sebe". Prisustvo esencije u mikro-objektu svjedoči o strukturi, postojanju složenih unutrašnjih veza, odnosno veza i interakcija između elemenata materije koji čine ovaj mikro-objekt, a koji se manifestiraju u njegovim različitim svojstvima.

Dijalektički materijalizam pokazuje da su svi predmeti i pojave u prirodi u međusobnoj povezanosti i uslovljenosti. Bilo koja pojava može se ispravno shvatiti samo u vezi sa okolnim svijetom. Stoga, u proučavanju svojstava mikro-objekata, proučavanje vanjskih odnosa, interakcija datog mikro-objekta sa drugim tijelima i poljima igra važnu ulogu.

Dakle, ako unutrašnje veze određuju strukturu mikro-objekta, onda se njegova struktura očituje u vanjskim vezama.

Podjela veza na eksterne i interne je relativna. Ali, s druge strane, podjela veza na interne i vanjske je vrlo važna, jer vam omogućava da istaknete kvalitativne karakteristike objekta koje određuju ovaj konkretni objekt.

Šta nam omogućava da razdvajamo veze na unutrašnje i eksterne? Gdje je kriterij za ovu podjelu? ST Meljuhin smatra da je „podela na unutrašnje i spoljašnje veoma relativna i određena je uglavnom prostornom konfiguracijom tela“ (94, 202).

Iz ovoga on izvodi sljedeći zaključak: „Za makroskopske objekte sa relativno oštrim prostornim granicama, podjela veza na unutrašnje i vanjske u većini slučajeva ne predstavlja posebne poteškoće. Međutim, ovu podjelu je ponekad vrlo teško izvršiti za mikroobjekte. Činjenica je da se elementarnim česticama ne mogu pripisati oštre geometrijske granice, jer one nisu neka vrsta mikroskopskih kuglica, već imaju valna svojstva"(94, 202). Smatramo da je takva podjela moguća kao rezultat prisustva kvalitativne sigurnosti u objektu. U svakoj interakciji sa vanjskim tijelima manifestuju se i unutrašnje i vanjske veze. Ali u nekim slučajevima, unutrašnje veze igraju odlučujuću ulogu, u drugima - vanjske. Nesumnjivo, prostorna konfiguracija igra određenu ulogu u tome. Ali nema razloga vjerovati da je ona tako kategoričkog karaktera. Na primjer, u slučaju atoma, mi može sasvim precizno napraviti takvu relativnu podjelu veza na unutrašnje i vanjske.U slučaju elementarnih čestica, to je u današnje vrijeme zaista teško napraviti, jer su one još uvijek vrlo slabo proučene, ali postoji mogućnost da nakon stvaranje teorije elementarnih čestica može se izvršiti takva podjela.

Dakle, pojam "elementarne čestice", s jedne strane, odražava određeni nivo našeg znanja, ali, s druge strane, ima i određeni objektivni sadržaj. V. I. Lenjin je pisao: "Logički pojmovi su subjektivni sve dok ostaju "apstraktni", u svom apstraktnom obliku, ali istovremeno izražavaju stvari u sebi. Priroda je i konkretna i apstraktna, i pojava i suština, i trenutak. i odnos. Ljudski koncepti su subjektivni u svojoj apstraktnosti, izolovanosti, ali objektivni uopšte, u procesu, kao rezultat, u trendu, u izvoru" (2, 29, 190). Kako se objektivni sadržaj odražava u konceptu "elementarne čestice"? Ona leži u činjenici da koncept "elementarne čestice" odražava kvalitativnu nedjeljivost odgovarajućih vrsta materije, čija će mnoga svojstva otkriti nauka u budućnosti.

Razmotrite neka svojstva koja imaju mikročestice (elementarne čestice).

Jedno od najvažnijih svojstava mikroobjekata je da imaju mase.

Obratimo pažnju na činjenicu da se mikroobjekti sa masom mirovanja mogu kretati bilo kojom brzinom (od nule do skoro brzine svjetlosti u vakuumu), dok se čestice bez mase mirovanja uvijek kreću brzinom svjetlosti. Očigledno, daljnje proučavanje mikrosvijeta će omogućiti da se objasni kakve interakcije i između kojih vrsta materije manifestuju tako osebujne osobine mikroobjekata.

Može se tvrditi da je masa određena uglavnom unutrašnjim vezama i jedna je od karakteristika kvalitativne sigurnosti subjekta.

Još jedno važno svojstvo mikročestica je električni naboj, koji karakterizira vezu čestica sa elektromagnetno polje. Još uvijek je nejasno što uzrokuje prisustvo istog apsolutnog naboja u različitim česticama i odsustvo električnog naboja u nekim česticama. Ali sasvim je očito da je to manifestacija neke duboke unutrašnje, još neotkrivene pravilnosti, manifestacija nekog zajedničkog u strukturi čestica.

Spin je još jedno važno svojstvo mikročestica.

Spin čestica je posebno temeljno svojstvo elementarnih čestica, svojstveno samo njima. O spinu možemo govoriti kao o sopstvenoj „rotaciji“ čestice samo po analogiji sa rotacijom u makrokosmosu. Spin elementarne čestice ne može se povećati ili smanjiti. Spin se mjeri u jedinicama h. Proton, neutron i elektron imaju spin S = 1/2, a spin fotona je 1. Činjenica da je spin veoma važna karakteristika povezana je sa samom suštinom elementarne čestice i ukazuje na postojanje jedinstva između Na broj čestica ukazuje postojanje dvije vrste statistika (Boze – Ajnštajn i Fermi – Dirak), odnosno pravilnosti koje odražavaju i opšte i posebne za sve poznate elementarne čestice. Čestice sa polucijelim spinom pokoravaju se Fermi-Dirac statistici i nazivaju se fermioni, a čestice sa cjelobrojnim spinom pokoravaju se Bose-Einstein statistici i nazivaju se bozoni. Poznato je da ne može više od jednog fermiona biti u istom stanju, tj. fermioni se ponašaju kao "individualisti"; ovo pravilo ne važi za bozone, i oni se ponašaju kao "kolektivisti". Unutrašnja priroda ovih osobina u ponašanju elementarnih čestica još je daleko od utvrđivanja, iako je veza ovih svojstava sa svojstvima simetrije i asimetrije već utvrđena.

Spin se smatra manifestacijom unutrašnjeg stepena slobode u kretanju elektrona ili neke druge elementarne čestice, koju stoga karakterišu četiri stepena slobode: tri vanjska, koja izražavaju prostorni pomak, i četvrti unutrašnji, spin. Prisustvo spina takođe ukazuje na postojanje složene strukture i određene vrste unutrašnjih veza u mikročesticama.

Još jedno važno svojstvo elementarnih čestica je magnetni moment. Posjeduju ga i nabijene i neutralne čestice. Pretpostavlja se da je dio magnetskog momenta nabijenih čestica posljedica njihovog prostornog pomaka. Stoga se vjeruje da struje mezonskih oblaka oko protona i neutrona određuju njihove magnetne momente.