Cuvântul atom înseamnă „indivizibil”. A fost introdus de filozofii greci pentru a desemna cele mai mici particule din care, conform ideii lor, constă materia.

Fizicienii și chimiștii secolului al XIX-lea au adoptat termenul pentru cele mai mici particule cunoscute de ei. Deși am reușit să „despărțim” atomi de mult timp și indivizibilul a încetat să mai fie indivizibil, totuși acest termen a fost păstrat. Conform ideii noastre actuale, atomul este format din cele mai mici particule, pe care le numim particule elementare. Există și alte particule elementare care nu sunt de fapt parte integrantă atomi. Ele sunt de obicei produse folosind ciclotroni puternici, sincrotroni și alți acceleratori de particule special conceputi pentru a studia aceste particule. Ele apar și atunci când razele cosmice trec prin atmosferă. Aceste particule elementare se descompun după câteva milionatimi de secundă și adesea într-o perioadă și mai scurtă de timp după apariția lor. Ca urmare a dezintegrarii, ele fie se schimbă, transformându-se în alte particule elementare, fie eliberează energie sub formă de radiație.

Studiul particulelor elementare se concentrează pe numărul tot mai mare de particule elementare de scurtă durată. Deși această problemă este de mare importanță, în special, deoarece este legată de cele mai fundamentale legi ale fizicii, cu toate acestea, studiul particulelor se desfășoară în prezent aproape izolat de alte ramuri ale fizicii. Din acest motiv, ne vom limita să luăm în considerare doar acele particule care sunt componente permanente ale celor mai comune materiale, precum și unele particule care sunt foarte apropiate de acestea. Prima dintre particulele elementare descoperite la sfârșitul secolului al XIX-lea a fost electronul, care a devenit apoi un slujitor extrem de util. În tuburile radio, fluxul de electroni se mișcă în vid; și prin ajustarea acestui flux semnalele radio de intrare sunt amplificate și convertite în sunet sau zgomot. Într-un televizor, fasciculul de electroni servește ca un stilou care reproduce instantaneu și precis pe ecranul receptorului ceea ce vede camera emițătorului. În ambele cazuri, electronii se mișcă în vid, astfel încât, dacă este posibil, nimic nu interferează cu mișcarea lor. O altă proprietate utilă este capacitatea lor, trecând prin gaz, de a-l face să strălucească. Astfel, permițând electronilor să treacă printr-un tub de sticlă umplut cu gaz la o anumită presiune, folosim acest fenomen pentru a produce lumină de neon, care este folosită noaptea pentru a ilumina marile orașe. Și iată o altă întâlnire cu electronii: fulgerele au fulgerat, iar miriade de electroni, străpungând grosimea aerului, creează un sunet de tunet.

Cu toate acestea, în condiții terestre nu există relativ număr mare electroni care se pot mișca liber, așa cum am văzut în exemplele anterioare. Cele mai multe dintre ele sunt legați în siguranță în atomi. Deoarece nucleul unui atom este încărcat pozitiv, acesta atrage electroni încărcați negativ spre sine, forțându-i să rămână pe orbite care sunt relativ apropiate de nucleu. De obicei, un atom este format dintr-un nucleu și un număr de electroni. Dacă un electron părăsește un atom, acesta este de obicei imediat înlocuit cu un alt electron, pe care nucleul atomic îl atrage cu mare forță din mediul său imediat.

Cum arată acest electron minunat? Nimeni nu l-a văzut și nu-l va vedea niciodată; și totuși îi cunoaștem atât de bine proprietățile încât putem prezice în detaliu cum se va comporta în cele mai variate situații. Îi cunoaștem masa („greutatea”) și sarcina electrică. Știm că de cele mai multe ori se comportă de parcă s-ar confrunta cu un foarte mic particulă, în alte cazuri dezvăluie proprietățile valuri. O teorie extrem de abstractă, dar în același timp foarte precisă a electronului a fost propusă în forma sa finală în urmă cu câteva decenii de către fizicianul englez Dirac. Această teorie ne oferă posibilitatea de a determina în ce circumstanțe electronul va fi mai mult ca o particulă și în ce circumstanțe caracterul său de undă va prevala. Această natură duală - particule și undă - face dificilă oferirea unei imagini clare a electronului; prin urmare, o teorie care ia în considerare ambele concepte și totuși oferă o descriere completă a electronului trebuie să fie foarte abstractă. Dar ar fi nerezonabil să limităm descrierea unui fenomen atât de remarcabil precum electronul la imagini pământești precum mazărea și valurile.

Una dintre premisele teoriei lui Dirac despre electron a fost că trebuie să existe o particulă elementară care are aceleași proprietăți ca și electronul, cu excepția faptului că este încărcată pozitiv și nu negativ. Într-adevăr, un astfel de electroni geamăn a fost descoperit și numit Pozitron. Face parte din razele cosmice și apare și ca urmare a dezintegrarii anumitor substanțe radioactive. În condiții terestre, viața unui pozitron este scurtă. De îndată ce se află în vecinătatea unui electron, iar acest lucru se întâmplă în toate substanțele, electronul și pozitronul se „extermină” reciproc; sarcina electrică pozitivă a pozitronului se neutralizează sarcina negativa electron. Întrucât, conform teoriei relativității, masa este o formă de energie și întrucât energia este „indestructibilă”, energia reprezentată de masele combinate ale electronului și pozitronului trebuie cumva să fie stocată. Această sarcină este îndeplinită de un foton (cuantum de lumină), sau de obicei doi fotoni, care sunt emiși ca urmare a acestei coliziuni fatale; energia lor este egală cu energia totală a electronului și pozitronului.

De asemenea, știm că are loc și procesul invers, un Foton poate, în anumite condiții, de exemplu, zburând aproape de nucleul unui atom, să creeze un electron și un pozitron „din nimic”. Pentru o astfel de creație, el trebuie să aibă o energie de cel puțin energie egală, corespunzătoare masei totale a electronului și pozitronului.

Prin urmare, particulele elementare nu sunt eterne sau permanente. Atât electronii, cât și pozitronii pot veni și pleca; cu toate acestea, energia și sarcinile electrice rezultate sunt conservate.

Cu excepția electronului, particula elementară cunoscută de noi mult mai devreme decât orice altă particulă nu este pozitronul, care este relativ rar, dar proton este nucleul atomului de hidrogen. La fel ca și pozitronul, este încărcat pozitiv, dar masa sa este de aproximativ două mii de ori mai mare decât masa pozitronului sau electronului. La fel ca aceste particule, protonul prezintă uneori proprietăți de undă, dar numai în condiții excepțional de speciale. Faptul că natura sa ondulată este mai puțin pronunțată este de fapt o consecință directă a masei sale mult mai mari. Natura ondulatorie, care este caracteristică tuturor materiei, nu devine de mare importanță pentru noi până când nu începem să lucrăm cu particule excepțional de ușoare, cum ar fi electronii.

Protonul este o particulă foarte comună.Atomul de hidrogen este format dintr-un proton, care este nucleul său, și un electron, care orbitează în jurul lui. Protonul face parte, de asemenea, din toate celelalte nuclee atomice.

Fizicienii teoreticieni au prezis că protonul, ca și electronul, are o antiparticulă. Deschidere proton negativ sau antiproton, care are aceleași proprietăți ca și protonul, dar este încărcat negativ, a confirmat această predicție. Ciocnirea unui antiproton cu un proton îi „extermină” pe amândoi în același mod ca și în cazul unei coliziuni a unui electron și a unui pozitron.

O altă particulă elementară neutroni, are aproape aceeași masă ca un proton, dar este neutru din punct de vedere electric (fără incarcare electricaîn general). Descoperirea lui în anii treizeci ai secolului nostru - aproximativ simultan cu descoperirea pozitronului - a fost extrem de importantă pentru fizica nucleara. Neutronul face parte din toate nucleele atomice (cu excepția, desigur, a nucleului obișnuit al atomului de hidrogen, care este pur și simplu un proton liber); Când un nucleu atomic se descompune, eliberează unul (sau mai mulți) neutroni. Explozie bombă atomică apare din cauza neutronilor eliberați din nucleele de uraniu sau plutoniu.

Deoarece protonii și neutronii se formează împreună nuclee atomice, ambii se numesc nucleoni.După ceva timp, un neutron liber se transformă într-un proton și un electron.

Suntem familiarizați cu o altă particulă numită antineutron, care, la fel ca neutronul, este neutru din punct de vedere electric. Are multe dintre proprietățile unui neutron, dar una dintre diferențele fundamentale este că un antineutron se descompune într-un antiproton și un electron. Ciocnirea, neutronul și antineutronul se distrug reciproc,

Foton, sau cuantica de lumină, o particulă elementară extrem de interesantă. Dorind să citim o carte, aprindem becul. Așadar, becul inclus generează un număr imens de fotoni care se repezi spre carte, precum și spre toate celelalte colțuri ale camerei, cu viteza luminii. Unii dintre ei, lovind pereții, mor imediat, alții din nou și din nou lovesc și sară de pereții altor obiecte, dar după mai puțin de o milioneme de secundă din momentul în care apar, toți mor, cu excepția câtorva. care reușesc să scape prin fereastră și să se strecoare în spațiu. Energia necesară pentru a genera fotoni este furnizată de electronii care curg printr-un bec care este aprins; murind, fotonii dau această energie unei cărți sau altui obiect, încălzindu-l, sau ochiului, provocând stimularea nervilor optici.

Energia unui foton și, prin urmare, masa acestuia, nu rămâne neschimbată: există fotoni foarte ușori alături de fotoni foarte grei. Fotonii care produc lumină obișnuită sunt foarte ușori, masa lor este de doar câteva milionatimi din masa unui electron. Alți fotoni au o masă aproximativ aceeași cu masa unui electron și chiar mult mai mult. Exemple de fotoni grei sunt razele X și razele gamma.

Aici regula generala: cu cât particula elementară este mai ușoară, cu atât natura sa ondulată este mai expresivă. Cele mai grele particule elementare - protoni - dezvăluie caracteristici de unde relativ slabe; sunt ceva mai puternici pentru electroni; cele mai puternice sunt cele ale fotonilor. Într-adevăr, natura ondulatorie a luminii a fost descoperită mult mai devreme decât caracteristicile ei corpusculare. Știm că lumina nu este altceva decât mișcarea undelor electromagnetice, de când Maxwell a demonstrat-o în a doua jumătate a secolului trecut, dar au fost Planck și Einstein, la începutul secolului al XX-lea, cei care au descoperit că lumina are și caracteristici corpusculare, că a emis uneori sub formă de „cuante” separate sau, cu alte cuvinte, sub forma unui flux de fotoni. Nu se poate nega că este dificil să unim și să contopim împreună în mintea noastră aceste două concepții aparent diferite despre natura luminii; dar putem spune că, la fel ca „natura duală” a electronului, concepția noastră despre un fenomen atât de evaziv ca lumina trebuie să fie foarte abstractă. Și numai atunci când dorim să ne exprimăm ideea în termeni grosieri, uneori trebuie să asemuim lumina cu un flux de particule, fotoni sau mișcare ondulatorie de natură electromagnetică.

Există o relație între natura corpusculară a fenomenului și proprietățile sale de „undă”. Cu cât particula este mai grea, cu atât lungimea de undă corespunzătoare este mai scurtă; cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât particula corespunzătoare este mai ușoară. raze X, constând din fotoni foarte grei, au în mod corespunzător lungimi de undă foarte scurte. Lumina roșie, care are o lungime de undă mai mare decât cea albastră, este formată din fotoni mai lumini decât fotonii de lumină albastră. Cele mai lungi unde electromagnetice existente - undele radio - sunt formate din fotoni mici. Aceste unde nu prezintă deloc proprietățile particulelor, natura lor ondulatorie fiind caracteristica în întregime dominantă.

Și, în sfârșit, cea mai mică dintre toate particulele elementare mici este neutrini. Este lipsit de sarcină electrică, iar dacă are vreo masă, atunci este aproape de zero. Cu o oarecare exagerare, putem spune că neutrinul este pur și simplu lipsit de proprietăți.

Cunoștințele noastre despre particulele elementare reprezintă frontiera modernă a fizicii. Atomul a fost descoperit în secolul al XIX-lea, iar oamenii de știință ai vremii au descoperit un număr tot mai mare de diferite feluri atomi; în mod similar astăzi găsim din ce în ce mai multe particule elementare. Și deși s-a dovedit că atomii sunt compuși din particule elementare, nu ne putem aștepta ca, prin analogie, să se găsească, ceva elementar particulele sunt formate din particule chiar mai mici. Problema cu care ne confruntăm astăzi este foarte diferită și nu există nici cel mai mic semn că putem diviza particulele elementare. Mai degrabă, ar trebui să sperăm că se va demonstra că toate particulele elementare sunt manifestări ale unui fenomen și mai fundamental. Și dacă ar fi posibil să stabilim acest lucru, am fi capabili să înțelegem toate proprietățile particulelor elementare; putea să-și calculeze masele și modul în care interacționează. S-au făcut multe încercări de abordare a acestei probleme, care este una dintre cele mai multe probleme importante fizică.

Dacă găsiți o eroare, evidențiați o bucată de text și faceți clic Ctrl+Enter.

Nu există o definiție clară a conceptului de „particulă elementară”; de obicei, este specificat doar un anumit set de valori mărimi fizice care caracterizează aceste particule și unele dintre proprietățile lor distinctive foarte importante. Particule elementare avea:

1) sarcina electrica

2) momentul unghiular adecvat sau spin

3) moment magnetic

4) masa proprie - „masă de odihnă”

În viitor, pot fi găsite și alte cantități care caracterizează particulele, așa că această listă a principalelor proprietăți ale particulelor elementare nu ar trebui considerată completă.

Cu toate acestea, nu toate particulele elementare (o listă a acestora este dată mai jos) au un set complet al proprietăților de mai sus.Unele dintre ele au doar o sarcină electrică și o masă, dar nu au spin (pioni și kaoni încărcați); alte particule au masă, spin și moment magnetic, dar nu au sarcină electrică (neutron, hiperon lambda); altele au doar masă (pioni și kaoni neutri) sau doar spin (fotoni, neutrini). Obligatorie pentru particulele elementare este prezența a cel puțin uneia dintre proprietățile enumerate mai sus. Rețineți că cele mai importante particule de materie - alergări și electroni - sunt caracterizate printr-un set complet al acestor proprietăți. Trebuie subliniat că sarcina electrică și spinul sunt proprietăți fundamentale ale particulelor de materie, adică valorile lor numerice rămân constante în toate condițiile.

PARTICULE SI ANTIPARTICULE

Fiecare particulă elementară are opusul său - „antiparticulă”. Masa, spinul și momentul magnetic al particulei și antiparticulei sunt aceleași, dar dacă particula are o sarcină electrică, atunci antiparticulă are o sarcină de semn opus. Protonul, pozitronul și antineutronul au aceleași momente magnetice și spini, în timp ce electronul, neutronul și antiprotonul au orientări opuse.

Interacțiunea unei particule cu antiparticula ei diferă semnificativ de interacțiunea cu alte particule. Această diferență este exprimată în faptul că o particulă și antiparticula ei sunt capabile de anihilare, adică un proces în care dispar și apar în schimb alte particule. Deci, de exemplu, ca urmare a anihilării unui electron și a unui pozitron, apar fotoni, protoni și antiprotoni-pioni etc.

DURATA DE VIAȚĂ

Stabilitatea nu este o caracteristică obligatorie a particulelor elementare. Doar electronul, protonul, neutrinul și antiparticulele lor, precum și fotonii, sunt stabili. Restul particulelor sunt transformate în unele stabile fie direct, cum se întâmplă, de exemplu, cu un neutron, fie printr-un lanț de transformări succesive; de exemplu, un pion negativ instabil se transformă mai întâi într-un muon și un neutrin, apoi un muon se transformă într-un electron și un alt neutrin:

Simbolurile denotă neutrini și antineutrini „muoni”, care sunt diferiți de neutrini și antineutrini „electronici”.

Instabilitatea particulelor este estimată prin durata existenței lor din momentul „nașterii” până în momentul dezintegrarii; ambele aceste momente în timp sunt marcate de urme de particule în configurațiile de măsurare. În prezența unui număr mare de observații ale particulelor de un „sort” dat, se calculează fie „durata medie de viață”, fie jumătatea perioadei de dezintegrare.

puteți calcula durata medie de viață (în timpul căreia numărul de particule scade cu un factor) și timpul de înjumătățire

(în timpul căreia acest număr se reduce la jumătate).

Este interesant de observat că:

1) toate particulele neîncărcate, cu excepția neutrinilor și fotonilor, sunt instabile (neutrinii și fotonii se remarcă printre alte particule elementare prin faptul că nu au propria lor masă de repaus);

2) dintre particulele încărcate, doar electronul și protonul (și antiparticulele lor) sunt stabile.

Iată o listă cu cele mai importante particule (numărul lor continuă să crească în prezent) cu indicarea denumirilor și a principalelor

proprietăți; sarcina electrica este de obicei data in unitati elementare masa - in unitati de spin masa electronilor - in unitati

(vezi scanare)

CLASIFICAREA PARTICILELOR

Studiul particulelor elementare a arătat că gruparea lor în funcție de valorile principalelor proprietăți (sarcină, masă, spin) este insuficientă. S-a dovedit a fi necesară împărțirea acestor particule în „familii” esențial diferite:

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

și introduceți noi caracteristici ale particulelor care ar arăta că o anumită particulă aparține uneia dintre aceste familii. Aceste caracteristici sunt denumite în mod convențional „încărcări” sau „numere”. Există trei tipuri de taxe:

1) lepton-încărcare electronică;

2) sarcina lepton-muon

3) sarcina barionică

Aceste încărcături sunt date valori numerice: și -1 (particulele au semnul plus, antiparticulele au semnul minus; fotonii și mezonii au sarcini zero).

Particulele elementare respectă următoarele două reguli:

fiecare particulă elementară aparține unei singure familii și este caracterizată doar de una dintre sarcinile (numerele) de mai sus.

De exemplu:

Cu toate acestea, un anumit set de particule diferite poate aparține unei familii de particule elementare; de exemplu, grupul de barioni include protonul, neutronul și un număr mare de hiperoni. Prezentăm împărțirea particulelor elementare în familii:

leptoni „electronici”: aceștia includ electroni pozitroni electron neutrin și electroni antineutrin

leptoni „muoni”: Aceștia includ muonii cu sarcină electrică negativă și pozitivă și neutrini și antineutrini muoni.Aceștia includ protonii, neutronii, hiperonii și toate antiparticulele lor.

Existența sau absența unei sarcini electrice nu este asociată cu apartenența la nici una dintre familiile enumerate. Se observă că toate particulele al căror spin este egal cu 1/2 au în mod necesar una dintre sarcinile de mai sus. Fotonii (care au un spin egal cu unitatea), mezonii - pioni și kaonii (al căror spin este egal cu zero) nu au încărcături nici de lepton, nici de barion.

In toate fenomene fizice, la care participă particulele elementare - la procesele de dezintegrare; nașterea, anihilarea și transformările reciproce, - se respectă a doua regulă:

sumele algebrice ale numerelor pentru fiecare tip de sarcină separat sunt întotdeauna menținute constante.

Această regulă este echivalentă cu trei legi de conservare:

Aceste legi mai înseamnă că transformările reciproce între particulele aparținând unor familii diferite sunt interzise.

Pentru unele particule - kaoni și hiperoni - s-a dovedit a fi necesară introducerea suplimentară a unei alte caracteristici numită ciudățenie și notată de Kaoni au hiperoni lambda și sigma - xi-hiperoni - (semn superior pentru particule, semn inferior pentru antiparticule). În procesele în care se observă apariția (nașterea) particulelor cu ciudățenie, se respectă următoarea regulă:

Legea conservării stranietății. Aceasta înseamnă că apariția unei particule ciudate trebuie în mod necesar să fie însoțită de apariția uneia sau mai multor antiparticule ciudate, astfel încât suma algebrică a numerelor înainte și după

procesul nașterii a rămas constant. S-a remarcat, de asemenea, că legea conservării ciudățeniei nu este respectată în dezintegrarea particulelor ciudate, adică această lege este valabilă numai în procesele de producere a particulelor ciudate. Astfel, pentru particulele ciudate, procesele de creație și dezintegrare sunt ireversibile. De exemplu, un hiperon lambda (ciudățenia este egală cu descompunerea într-un proton și un pion negativ:

În această reacție, legea de conservare a ciudățeniei nu este respectată, deoarece protonul și pionul obținute după reacție au ciudățenii egale cu zero. Totuși, în reacția inversă, atunci când un pion negativ se ciocnește cu un proton, nu apare un singur hiperon lambda; reacția continuă cu formarea a două particule cu ciudățenii de semne opuse:

În consecință, în reacția de naștere lambda-hiperon se respectă legea conservării stranietății: înainte și după reacție, suma algebrică a numerelor „ciudate” este egală cu zero. Se cunoaște o singură reacție de dezintegrare în care este satisfăcută constanța sumei numerelor ciudate - aceasta este dezintegrarea unui hiperon sigma neutru într-un hiperon lambda și un foton:

O altă caracteristică a particulelor ciudate este diferența puternică dintre durata proceselor de producție (de ordinul ) și timpul mediu de existență a acestora (aproximativ ); pentru alte particule (nu ciudate), acești timpi sunt de aceeași ordine.

Rețineți că necesitatea introducerii numerelor sau sarcinilor de lepton și barion și existența legilor de conservare de mai sus ne fac să presupunem că aceste sarcini exprimă o diferență calitativă între particule de diferite tipuri, precum și între particule și antiparticule. Faptul că este necesar să se atribuie sarcini cu semne opuse particulelor și antiparticulelor indică imposibilitatea transformărilor reciproce între ele.

Atenția fizicienilor și a filozofilor este acum concentrată asupra problemei particulelor elementare. Ce sunt particulele elementare? Fizicianul sovietic V. S. Barashenkov, întrebat ce obiect se numește „elementar”, răspunde: „Aceasta este o particulă care nu poate fi construită din alte particule, astfel încât defectul de masă în acest caz să fie comparat cu masa acestei particule sau cu masele. de particule componente atât de mici încât ar putea fi neglijată” (31.1965.9.87). Ceva mai târziu, împreună cu D. I. Blokhintsev, ei au scris: „În prezent, grupul de particule elementare include toate particulele, ale căror posibile dezintegrare, atât reale, cât și virtuale, apar cu un defect de masă comparabil ca mărime cu masa particulei originale. sau cu masele particule de descompunere” (74, 181).

În opinia noastră, particulele elementare sunt tipuri de materie unice din punct de vedere calitativ care interacționează discret ca un întreg în toate procesele cunoscute. Trebuie spus că denumirea de „elementar” este clar regretabilă. „Termenul „elementar” se referă mai degrabă la nivelul cunoștințelor noastre”, scria celebrul fizician italian E. Fermi. „În general, putem spune că în fiecare etapă a dezvoltării științei, numim elementare acele particule ale căror structuri nu știu și pe care îl considerăm drept punct” (151 , 9). Dar, în realitate, pe baza celor mai generale considerații și a datelor experimentale, se poate demonstra că orice particulă elementară trebuie să aibă o structură. Această afirmație rezultă din analiza diferitelor procese la care participă particulele elementare. În prezent, sunt deja cunoscute un număr mare de reacții de dispersie, generare, transformări, formațiuni ale unor particule elementare din altele. Aceste date experimentale oferă motive pentru a afirma că particulele elementare au o structură internă. Structura particulelor elementare este una dintre reflexiile nesfârșitelor conexiuni interne și externe din natură, o reflectare a mișcării materiei. Fiecare dintre micro-obiecte nu numai că provoacă anumite fenomene naturale, ci este el însuși condiționat și, prin urmare, are o structură, o structură. Prezența unei structuri în particulele elementare este deja indicată de faptul că particulele elementare nu sunt una sau două, ci multe.

Trebuie remarcat faptul că aproape toate particulele elementare au antiparticule corespunzătoare. Enumerăm câteva dintre ele: electron- o particulă stabilă cu o masă egală cu 9,108 * 10 -28 g și o sarcină electrică elementară negativă. Electronii joacă cel mai important rol în structura materiei, fiind parte integrantă a tuturor atomilor.

Foton, sau cuantică radiatie electromagnetica frecvență arbitrară (un concept introdus de A. Einstein în teoria sa a efectului fotoelectric). O caracteristică distinctivă a unui foton în comparație cu alte particule elementare este că se mișcă întotdeauna cu o viteză constantă - C = 3*10 10 cm/s (în vid). Nu are masă de repaus, iar oprirea sa nu este altceva decât absorbția, adică sfârșitul existenței sale ca foton.

Ar trebui spus și despre proton- un nucleu de hidrogen încărcat pozitiv, o particulă elementară, a cărei masă este de 1836 de ori mai mare decât masa unui electron. Este o parte integrantă a nucleelor ​​tuturor elementelor.

În 1932 a fost deschis neutroni- o particulă lipsită de sarcină electrică cu o masă de 1838 mase de electroni. Neutronii, împreună cu protonii, fac parte din nucleele atomice.

În același an, s-a deschis Pozitron, care este antiparticula electronului. Masa pozitronului este egală cu masa electronului, sarcina lui electrică este pozitivă și egală cu sarcina elementara(sarcina electronilor).

O particulă elementară extrem de interesantă, lipsită de sarcină electrică, este neutrini. În ceea ce privește masa sa de repaus, această întrebare rămâne deschisă: este fie zero, fie foarte mică. Măsurători fine și detaliate ale spectrului de dezintegrare a tritiului efectuate la Institutul de Fizică Teoretică și Experimentală (ITEP) al Academiei de Științe a URSS de către un grup format din V. A. Lyubimov, E. G. Novikov, V. Z. Nozika, E. F. Tretyakova și V. S. Kozik (283) , 301) indică faptul că neutrinoul are o masă în repaus. Se știe că se lucrează de mult timp la descoperirea masei de neutrini în repaus. În 1949, a fost publicată lucrarea lui G. Khan și B. Pontecorvo, în care a fost luată în considerare problema limitei masei neutrinilor. Până în 1972, K. Berquist (207, 317) a rafinat limita dorită, care era aproape de 55 eV. Din 1973, această lucrare a fost începută de grupul menționat mai sus de fizicieni sovietici. Masa de repaus a neutrinilor măsurată de ei s-a dovedit a fi foarte mică - între 14 și 16 eV. Cu toate acestea, în condițiile Universului, prezența chiar și a unei mase de odihnă atât de mici în neutrini duce la consecințe foarte mari, la o schimbare a ideilor noastre despre structura și evoluția Universului.

Dacă pornim de la modelul modern al Universului fierbinte, atunci în el acum există ~ 500 de neutrini relicve într-un centimetru cub. Calculul luând în considerare masa lor arată că 90-99% din întreaga masă a Universului este masa neutrinilor. După cum a scris academicianul Ya. B. Zel'dovich, asta înseamnă că trăim într-un Univers de neutrini. Masa neutrinilor afectează vârsta Universului (se micșorează), neutrinii grei își vor opri expansiunea și ~ în 20-30*10 9 ani, ca urmare a comprimării, va avea loc o prăbușire grandioasă a Universului. Prezența unei mase de repaus pentru neutrini face posibilă descoperirea de noi proprietăți ale particulelor elementare deja cunoscute. Neutrinul foarte ușor, de exemplu, poate servi ca un indiciu al existenței unei lumi de particule supergrele 1 . Durata de viață a neutrinilor prezisă teoretic (10 29 de ani) este cu aproximativ 19 ordine de mărime mai mare decât vârsta Universului (10 10 ani). Descoperirea unei mase finite în neutrini (dacă datele de mai sus sunt confirmate) va fi una dintre cele descoperiri majoreîn fizica modernă.

1 (Această previziune fizică este în concordanță cu principiul dialectic-materialist al unității contrariilor.)

Neavând sarcină electrică, masă de repaus, moment magnetic, neutrinii interacționează extrem de slab cu alte particule și sunt foarte penetranți. Neutrinul diferă de antineutrin prin „spiralitatea”, la figurat vorbind, direcția spinului în raport cu direcția mișcării.

Trebuie remarcat faptul că o parte din energia solară este transportată în spațiu sub formă de antineutrini emiși atunci când reactii nucleareîn adâncurile soarelui.

Dezvoltând teoria particulelor elementare, fizicienii sovietici, și mai ales M. A. Markov și B. M. Pontecorvo, au prezis existența în natură a două tipuri de neutrini. În prezent, sunt deja cunoscute trei tipuri de neutrini: v e , v μ , v τ și antineutrinii corespunzători acestora.

Studiile razelor cosmice (razele cosmice primare constau în principal din protoni și particule α), precum și experimentele pe acceleratori puternici, au condus la descoperirea unui număr de noi particule; printre ele particule cu o masă intermediară între masa unui electron și masa unui proton - mezonii. În 1937, au fost descoperiți mezoni μ ± cu o masă de 206,7 mase de electroni, cu o durată de viață de 2,22 * 10 -6 s. În plus, sunt cunoscuți acum mesoni π +, π-, π 0 și K-mezoni, un grup mare. de particule elementare numite hiperonii, a cărui masă depășește masa unui proton. Deci, de exemplu, Ξ - minus hiperon (hiperon în cascadă) are o masă de ~2586 mase de electroni. LA anul trecut a descoperit un număr de particule de scurtă durată combinate denumirea comună motive 1 .

1 (În următorul paragraf al acestui capitol, unde vom vorbi despre clasificarea particulelor, vom continua lista acestora.)

Ştiind că atomii tuturor elemente chimice, care apar în natură, „constă” din electroni, protoni, neutroni și n-mezoni virtuali, s-ar putea ajunge la concluzia că alte particule nu joacă un rol în structura atomilor sau a nucleelor ​​acestora, ci apar numai în timpul diferitelor reacții în raze cosmice sau condiții de laborator. Cu toate acestea, acesta nu este cazul. Alături de tipurile indicate de particule, există multe alte particule efectiv prezente în atomi și există și câmpuri care asigură interacțiunea particulelor.

Într-adevăr, electronul este atras de nuclee în principal datorită forțelor electrostatice (forțele magnetice și electromagnetice joacă un rol nesemnificativ). Cuantele acestui câmp sunt emise de atomi sub formă de fotoni în timpul tranziției electronilor de la un nivel superior. nivel de energie la unul inferior sau în ciocnirile unui atom cu alți atomi.

Câmpul electromagnetic este prezent și în stare implicită, neradiată în nuclee, determinând repulsia electrostatică a protonilor și interacțiunea magnetică a protonilor și neutronilor (deoarece ambele tipuri de nucleoni au momente magnetice), precum și alte forțe suplimentare minore. . Acest lucru este cunoscut de mult timp și până de curând au fost stabilite corecții cuantice variate, în unele cazuri foarte subtile și greu de calculat și greu de observat.

Pe lângă câmpul electromagnetic, există și câmpuri speciale în nucleele atomilor asociate cu forțe nucleare care rețin protonii și neutronii din nuclee și nu sunt nici gravitaționale, nici magnetice.

Câmpul forțelor nucleare, care au o intensitate extraordinară, este de natură specifică. Se datorează particulelor care au masă. Aceasta a fost găsită în principal în lucrări teoretice V. Heisenberg, I. Tamm, D. Ivanenko și fizicianul japonez G. Yukawa. S-a dovedit a fi foarte dificil să faci atomul să radieze, adică să rupi câmpul nuclear de la nucleoni; Nu degeaba această legătură este cea „puternică”, cea mai mare dintre toate cele cunoscute între particule. Quantele câmpului nuclear, emise de nucleele atomilor, în ciocnirile de protoni sau neutroni s-au dovedit a fi particule, de masă medie între electroni și nucleoni. În strâns acord cu previziunile teoretice, ele au un număr întreg, mai precis, spin de dispariție S = 0. Aceste particule au fost numite π- mezonii, sau " bujori„. Existența lor a fost prezisă teoretic.

Câmpul pionilor din interiorul nucleelor ​​furnizează forțele nucleare, la fel cum câmpul electric dintre protoni și electroni este furnizat de sarcinile acestora. Forțele nucleare dintre nucleoni apar datorită faptului că un nucleon emite un pion virtual, iar celălalt îl absoarbe. Teoria interacțiunii nucleonilor și pionilor și experimentele corespunzătoare au făcut progrese mari, iar acum înțelegem multe aspecte ale împrăștierii pionilor și producerea lor. Teoria forțelor nucleare, în principal n-mezonului, a putut explica, de asemenea, multe aspecte semnificative ale interacțiunii dintre nucleoni, în special, natura lor cu rază scurtă, independentă de sarcină, non-centrală și forma dependenței de spin.

Deci, am stabilit compoziția atomilor împreună cu nucleul: electroni, protoni, neutroni plus câmpul electromagnetic și mezon (π-meson). S-ar părea că studiul compoziției materiei poate fi considerat acum complet. Cu toate acestea, în ultimele decenii au fost descoperite o serie de noi particule elementare. În primul rând, s-a dovedit că neutronii și pionii sunt particule instabile: se degradează spontan, dând naștere la noi particule care nu joacă direct un rol în structura substanțelor. N-mezoni încărcați cu nevoia, în medie, după 2 * 10 -8 s de dezintegrare într-un neutrin sau, respectiv, un antineutrin plus o nouă particulă de tip mezon, așa-numita (μ-mezon, sau „muon” :

muonii neutri sunt necunoscuți. Pionul neutru extrem de rapid, după un timp de aproximativ 10 -16 s, se descompune în doi fotoni γ:

Un neutron liber se descompune în mod necesar, după ce a trăit în medie aproximativ 12 minute, într-un proton, un electron și un neutrin (mai precis, un antineutrin):

Descompunere neutroni nucleari depinde de stabilitatea întregului nucleu: electronii generați în acest caz se numesc particule beta (β).

În al doilea rând, în ciocnirea unor particule deja cunoscute (π, ρ, n, μ etc.) de înaltă energie, sunt generate diverse noi particule, în special hiperoni supergrei, care depășesc masa nucleonilor (protoni și neutroni) și noi K-mezoni, mai grei decât bujorii. În acest caz, sunt generate și diverse „antiparticule” sau particule conjugate cu sarcină, care sunt imagini „oglindă” ale particulelor obișnuite. De exemplu, în timpul trecerii fotonilor cu o energie de peste 1 milion de electroni volți, în apropierea nucleului poate apărea o pereche: un electron + un pozitron.

Fiecare particulă elementară are o varietate de proprietăți, iar aceasta confirmă poziția marxist-leninistă asupra inepuizabilității materiei. Orice fel de materie descoperită de știință în procesul cunoașterii infinite a naturii are o mare varietate de proprietăți care depind de structura obiectelor materiale în sine și de un număr infinit de conexiuni între ele.

Filosofia marxist-leninistă atrage atenția asupra faptului că fiecare fenomen, fiecare corp are propria sa esență, care se manifestă în aceste fenomene și obiecte. O particulă elementară, sau, mai precis, un micro-obiect, are propria sa esență. Dar această esență este în mare parte nedescoperită, necunoscută, este un „lucru în sine”. Prezența esenței într-un micro-obiect mărturisește structura, existența unor conexiuni interne complexe, adică conexiuni și interacțiuni între elementele materiei care alcătuiesc acest micro-obiect, care se manifestă în diferitele sale proprietăți.

Materialismul dialectic arată că toate obiectele și fenomenele din natură sunt în conexiune și condiționalitate reciprocă. Orice fenomen poate fi înțeles corect doar în legătură cu lumea înconjurătoare. Prin urmare, în studiul proprietăților micro-obiectelor, studiul relațiilor externe, interacțiunilor unui micro-obiect dat cu alte corpuri și câmpuri joacă un rol important.

Astfel, dacă conexiunile interne determină structura unui micro-obiect, atunci structura acestuia se manifestă în conexiuni externe.

Împărțirea legăturilor în externe și interne este relativă. Dar, pe de altă parte, împărțirea legăturilor în interne și externe este foarte importantă, deoarece vă permite să evidențiați caracteristicile calitative ale obiectului care determină acest obiect anume.

Ce ne permite să separăm conexiunile interne și externe? Unde este criteriul pentru această împărțire? ST Melyukhin consideră că „diviziunea în interior și extern este foarte relativă și este determinată în principal de configurația spațială a corpurilor” (94, 202).

Din aceasta, el trage următoarea concluzie: „Pentru obiectele macroscopice cu limite spațiale relativ clare, împărțirea legăturilor în interioare și externe în cele mai multe cazuri nu prezintă dificultăți deosebite. Cu toate acestea, această împărțire este uneori foarte dificil de realizat pentru microobiecte. Faptul este că particulelor elementare nu se pot atribui limite geometrice ascuțite, deoarece nu sunt un fel de bile microscopice, dar au și proprietățile valurilor„(94, 202). Credem că o astfel de împărțire este posibilă ca urmare a prezenței unei certitudini calitative într-un obiect. În orice interacțiune cu corpurile externe se manifestă atât conexiuni interne, cât și externe. Dar, în unele cazuri, interne legăturile joacă un rol decisiv, în altele - externe.Fără îndoială, configurația spațială joacă un anumit rol în aceasta.Dar nu există niciun motiv să credem că are un asemenea caracter categoric.De exemplu, în cazul unui atom, noi poate face destul de exact o astfel de împărțire relativă a legăturilor în interioare și externe.În cazul particulelor elementare, acest lucru în prezent este cu adevărat dificil de realizat, deoarece acestea sunt încă foarte puțin studiate, dar există posibilitatea ca după crearea teoriei particulelor elementare se poate face o astfel de subdiviziune.

Astfel, termenul „particule elementare”, pe de o parte, reflectă un anumit nivel al cunoștințelor noastre, dar, pe de altă parte, are și un anumit conținut obiectiv. V. I. Lenin scria: „Conceptele logice sunt subiective atâta timp cât rămân „abstracte”, în forma lor abstractă, dar în același timp exprimă lucrurile în sine. Natura este atât concretă, cât și abstractă, iar fenomenul și esența, și momentul. şi relaţie. Conceptele umane sunt subiective în abstractitatea lor, izolare, dar obiective în general, în proces, ca urmare, în tendinţă, în sursă” (2, 29, 190). Cum se reflectă conținutul obiectiv în conceptul de „particulă elementară”? Constă în faptul că conceptul de „particulă elementară” reflectă indivizibilitatea calitativă a tipurilor corespunzătoare de materie, multe dintre ale căror proprietăți vor fi dezvăluite de știință în viitor.

Luați în considerare unele dintre proprietățile pe care le au microparticulele (particulele elementare).

Una dintre cele mai importante proprietăți ale microobiectelor este aceea că au mase.

Să acordăm atenție faptului că micro-obiectele cu masă în repaus se pot mișca cu orice viteză (de la zero la aproape viteza luminii în vid), în timp ce particulele fără masă în repaus se mișcă întotdeauna cu viteza luminii. Aparent, studiul suplimentar al microlumii va face posibil să se explice ce interacțiuni și între ce tipuri de materie manifestă astfel de proprietăți deosebite ale microobiectelor.

Se poate susține că masa este determinată în principal de conexiuni interne și este una dintre caracteristicile certitudinii calitative a subiectului.

O altă proprietate importantă a microparticulelor este incarcare electrica, care caracterizează legătura particulelor cu câmp electromagnetic. Încă nu este clar ce cauzează prezența aceleiași sarcini absolute în diferite particule și absența unei sarcini electrice în unele particule. Dar este destul de evident că aceasta este o manifestare a unei regularități interne profunde, încă nedescoperite, o manifestare a unei comunități în structura particulelor.

Spinul este o altă proprietate importantă a microparticulelor.

Spinul particulelor este o proprietate fundamentală specială a particulelor elementare, inerentă numai acestora. Putem vorbi despre spin ca despre „rotația” proprie a particulei doar prin analogie cu rotația din macrocosmos. Spinul unei particule elementare nu poate fi crescut sau micșorat. Spinul se măsoară în unități de h. Protonul, neutronul și electronul au spin S = 1 / 2, iar spinul fotonului este 1. Faptul că spinul este o caracteristică foarte importantă asociată cu însăși esența unei particule elementare și indicând prezența unității între o numărul de particule este indicat de existența a două tipuri de statistici ( Bose - Einstein și Fermi - Dirac), adică regularități care reflectă atât generalul, cât și specialul pentru toate particulele elementare cunoscute. Particulele cu spin semiîntreg se supun statisticilor Fermi-Dirac și sunt numite fermioni, iar particulele cu spin întreg se supun statisticilor Bose-Einstein și sunt numite bozoni. Se știe că nu mai mult de un fermion poate fi în aceeași stare, adică fermionii se comportă ca „individualiști”; această regulă nu se aplică bosonilor, iar ei se comportă ca „colectivişti”. Natura internă a acestor caracteristici în comportamentul particulelor elementare este încă departe de a fi stabilită, deși legătura acestor proprietăți cu proprietățile de simetrie și asimetrie a fost deja stabilită.

Spinul este considerat ca o manifestare a gradului intern de libertate în mișcarea unui electron sau a unei alte particule elementare, care se caracterizează astfel prin patru grade de libertate: trei externe, care exprimă deplasarea spațială, și al patrulea intern, spin. Prezența unui spin indică, de asemenea, existența unei structuri complexe și a unui anumit tip de legături interne în microparticule.

O altă proprietate importantă a particulelor elementare este moment magnetic. Este deținut atât de particule încărcate, cât și de particule neutre. Se presupune că o parte din momentul magnetic al particulelor încărcate se datorează deplasării lor spațiale. Astfel, se crede că curenții norilor mezoni din jurul protonilor și neutronilor determină momentele lor magnetice.