След откриване на основните характеристики на елементарните частици. Откриване на елементарни частици

Елементарната частица се счита за първична или неразложима частица, от която е съставена цялата материя. В съвременната физика обаче терминът „елементарни частици“ се използва за назоваване на голяма група от най-малките частици на материята. Тази група включва протони, неутрони, електрони, фотони, пи-мезони, мюони, тежки лептони, неутрино от три вида, странни частици (К-мезони, хиперони), различни резонанси, "очаровани" частици, частици нагоре, "красиви" частици , междинни бозони (W ±, Z 0). Повече от 500 частици общо. Частиците, които твърдят, че са основните елементи на материята, се наричат " наистина елементарни частици» .

В историята на науката първата частица, която беше открита, беше електрон- носител с отрицателен електрически заряд. Електронът е открит за първи път от английския физик Джоузеф Томсън,през 1897 г. През 1919 г. английският физик Ърнест Ръдърфордоткрити протон- частица, която е част от атомни ядра с положителен заряд и маса 1840 пъти масата на електрон. Друга частица, която изгражда ядрото, е неутрон, е открит през 1932 г. от английския физик Джеймс Чадуик... Концепцията за фотона като частица произхожда от работата на немския физик Макс Дъска,който излага през 1900 г. предположението за квантуването на енергията на електромагнитното излъчване. В развитието на идеята на Планк, Айнщайнпрез 1905 г. установява, че електромагнитно излъчванее поток от отделни кванти ( фотони) и на тази основа обясни законите на фотоелектричния ефект. Пряко експериментално доказателство за съществуването на фотон е извършено от американските физици Робърт Миликен (1912) и А. Комптън(1922).

Съществуване неутриноза първи път хипотезиран от Вулфганг Паули(1930), а електронното неутрино е открито експериментално едва през 1962 г. от американските физици Ф. Рейнс и К. Куун. Първата открита античастица е позитронс масата на електрон, но с положителен електрически заряд. Открит е в състава на космическите лъчи от американския физик К. Андерсън през 1953 г. През 1946 г. Андерсън и Недермайер (САЩ) го намират в състава на космическите лъчи мюонис двата знака на електрически заряд (µ - и µ +). Мюоните имат маса около 200 електронни маси, а другите им свойства са близки до електрона и позитрона. През 1947 г. като част от космическите лъчи американски физици под ръководството на С. Пауъл откриха π - и π + - мезони... Съществуването на такива частици е предположено от японски физик Х. Юкавапрез 1935 г. В началото на 50-те. е открита голяма група частици с необичайни свойства, на име " странно. "Първите частици от тази група - K - и K + - мезони, Λ - хиперони са открити в състава на космическите лъчи. Последващи открития на "странни" частици са направени с ускорители на частици. От началото на 50-те. ускорителите се превърнаха в основния инструмент за изследване на EF. През 1955 г. е открит антипротон, 1956 - антинеутрон, 1960 – антисигма хиперон, а през 1964 г. - най-тежкият хиперон -. През 1960 г. са открити ускорители резонансни частици... Те са нестабилни и многобройни, поради което представляват основната част на ECH.

През 1962 г. учените установяват, че има два различни типа неутрино: електронен и мюон. През 1974 г. масивна и в същото време относително стабилна " омагьосан»Частици (D 0, D +, F + и др.). През 1975 г. тежък аналог на електрон и мюон (τ - лептон), през 1981 г. - " красив»Частици, а през 1983 г. - междинни бозони(W ± и Z 0).

По този начин беше установено, че светът на ECH е много сложен и разнообразен. Между елементарни частициелектронът е най-известен и използван. Всичко започна с факта, че, преминавайки ток през електролит, Фарадей измерва количеството вещества, отделяни върху електродите, и стига до идеята, че в природата има най-малък електрически заряд, равен на заряда на водороден йон.

Английският физик Дж. Стоуни измисли специално име за най-малкия електрически заряд - " електрон". От средата на 19 век физиците започват да експериментират с електрически разряди в специални стъклени тръби с електроди, споени в стените. Когато газът се евакуира, токът във веригата не спира, когато катодите се нагряват. Това течение беше придружено от красив и загадъчен блясък. Ясно е, че токът не може да тече през кухината. Прехвърлянето на електричество от катода към анода, т.нар катодни лъчи... Английски физик Джоузеф Томсънустанови природата на катодните лъчи, експериментално показа, че катодните лъчи са поток от най-малките отрицателно заредени частици. Той, поставяйки стъклена тръба в магнитно поле, изследва отклонението на катодните лъчи от права линия и установява, че съотношението на заряда към масата (e / me) за електроните е хиляда пъти по-голямо от това на същото съотношение за водородни йони (e / mn), установени по-рано от Фарадей.

Томсън, смело приемайки хипотезата, че електроните и водородните йони носят един и същ елементарен заряд, стигна до заключението, че електроните имат незначителна маса в сравнение с атомите. Появи се съмнение относно неделимостта на атома. Открит от Анри Бекерел радиоактивност на атомитепрез 1896 г. тя най-накрая разклати твърденията за неделимостта на атома. В началото на 20-ти век Ърнест Ръдърфорд доказа, че от трите вида лъчи -, β и γ, излъчвани от радий, β - лъчи, това са същите електрони, които Томсън е видял.

Въпроси за самоконтрол

1. Какво представляват елементарните частици?

2. Колко елементарни частици са открити от науката?

3. Какви частици се наричат „истински елементарни частици“

4. Коя частица е първата частица, открита в историята на науката?

5. Кой и кога е открил електрона?

6. Кой и кога е открил протона?

7. Кой и кога е открил неутрона?

8. Кой и кога е открил фотона?

9. Кой и кога предполага съществуването на неутрино?

10. През коя година експериментално открити неутрино?

11. Кой и кога е открил първата античастица на позитрона?

12. Кой и кога предполага съществуването на мезони?

13. В кои години беше открита голяма група от така наречените „странни“ частици?

14. През коя година бяха открити „очарованите“ частици?

15. През коя година бяха открити „красивите“ частици?

16. През коя година бяха открити така наречените „междинни бозони“?

17. Кой и кога е открил радиоактивността на атомите?

Въведение

1. Откриване на елементарни частици

2. Теории за елементарните частици

2.1. Квантова електродинамика (QED)

2.2. Теория на кварките

2.3. Теория на електрослабите

2.4. Квантова хромодинамика

Заключение

Литература

Въведение.

В средата и втората половина на ХХ век в онези клонове на физиката, които се занимават с изучаване на фундаменталната структура на материята, са получени наистина удивителни резултати. На първо място, това се прояви в откриването на цял набор от нови субатомни частици. Те обикновено се наричат елементарни частици, но не всички от тях са наистина елементарни. Много от тях от своя страна се състоят от още по-елементарни частици.

Светът на субатомните частици е наистина разнообразен. Те включват протони и неутрони, които изграждат атомни ядра, както и електрони, въртящи се около ядра. Но има и такива частици, които практически не се намират в веществото около нас. Животът им е изключително кратък, това са най-малките части от секундата. След това изключително кратко време те се разпадат на обикновени частици. Има поразителен брой такива нестабилни краткотрайни частици: вече са известни няколкостотин от тях.

През 60-те и 70-те години физиците бяха напълно объркани от множеството, разнообразието и необичайността на новооткритите субатомни частици. Изглеждаше, че им няма край. Напълно неразбираемо е за какво са толкова много частици. Хаотични ли са тези елементарни частици и случайни фрагменти от материята? Или може би те държат ключа за разбирането на структурата на Вселената? Развитието на физиката през следващите десетилетия показа, че няма съмнение за съществуването на такава структура. В края на ХХ век. физиката започва да разбира какво е значението на всяка от елементарните частици.

Дълбок и рационален ред е присъщ на света на субатомните частици. Този ред се основава на фундаментални физически взаимодействия.

1. Откриване на елементарни частици.

Откриването на елементарни частици е естествен резултат от общия напредък в изследването на структурата на материята, постигнат от физиката в края на 19 век. Той е изготвен чрез цялостни изследвания на оптичните спектри на атомите, изследване на електрически явления в течности и газове, откриване на фотоелектричност, рентгенови лъчи, естествена радиоактивност, което свидетелства за съществуването на сложна структура на материята.

В исторически план първата открита елементарна частица е електрон - носител на отрицателен елементарен електрически заряд в атомите. През 1897 г. Дж. Дж. Томсън установява, че т.нар. катодните лъчи се образуват от поток от малки частици, наречени електрони. През 1911 г. Е. Ръдърфорд, преминавайки алфа частици от естествен радиоактивен източник през тънки фолиа различни вещества, установи, че положителният заряд в атомите е съсредоточен в компактни образувания - ядра, а през 1919 г. сред частиците, избити от атомните ядра, се откриват протони - частици с единичен положителен заряд и маса 1840 пъти по-голяма от масата на електрон. Друга частица, съставляваща ядрото, неутронът, е открит през 1932 г. от J. Chadwick, докато изучава взаимодействието на a-частици с берилий. Неутронът има маса, близка до тази на протон, но няма електрически заряд. Откриването на неутрона завърши идентификацията на частиците - структурни елементиатоми и техните ядра.

Заключение за съществуването на частица електромагнитно поле- фотон - произхожда от работата на М. Планк (1900). Ако приемем, че енергията на електромагнитното излъчване от черно тяло е квантована, Планк получава правилната формула за радиационния спектър. Развивайки идеята на Планк, А. Айнщайн (1905) постулира, че електромагнитното излъчване (светлина) всъщност е поток от отделни кванти (фотони) и на тази основа той обяснява законите на фотоелектричния ефект. Преки експериментални доказателства за съществуването на фотон са дадени от R. Millikan (1912-1915) и A. Compton (1922).

Откриването на неутрино, частица, която почти не взаимодейства с материята, произхожда от теоретичното предположение на W. Pauli (1930), което поради предположението за раждането на такава частица позволи да се премахнат трудностите със закона за запазване на енергията в процесите на бета разпадане на радиоактивни ядра. Съществуването на неутрино е експериментално потвърдено едва през 1953 г. (F. Reines и K. Cowen, САЩ).

От 30-те до началото на 50-те. изследването на елементарните частици е било тясно свързано с изучаването на космическите лъчи. През 1932 г. в състава на космическите лъчи К. Андерсън открива позитрон (e +) - частица с масата на електрон, но с положителен електрически заряд. Позитронът е първата открита античастица. Съществуването на e + директно следва от релативистката теория за електрона, разработена от P. Dirac (1928-31) малко преди откриването на позитрона. През 1936 г. американските физици К. Андерсън и С. Недермайер откриват мюони (и на двата признака на електрически заряд), докато изучават осмически лъчи - частици с маса около 200 електронни маси, но иначе изненадващо подобни по свойства на e-, e +.

През 1947 г., също в космически лъчи, групата на С. Пауъл открива p + и p - мезони с маса 274 електронни маси, които играят важна роля във взаимодействието на протоните с неутроните в ядрата. Съществуването на такива частици е предположено от Х. Юкава през 1935г.

Късно 40-те - началото на 50-те бяха белязани от откриването на голяма група частици с необичайни свойства, наречени „странни“. Първите частици от тази група K + - и K - мезони, L-, S + -, S- -, X- хиперони бяха открити в космически лъчи, последващи открития на странни частици бяха направени в ускорители - инсталации, които създават интензивни потоци на бързи протони и електрони. При сблъсък с материя ускорените протони и електрони пораждат нови елементарни частици, които стават обект на изследване.

От началото на 50-те. ускорителите се превърнаха в основния инструмент за изследване на елементарни частици. През 70-те. енергиите на ускорените в ускорителите частици възлизат на десетки и стотици милиарди електронволта (GeV). Желанието за увеличаване на енергиите на частиците се дължи на факта, че високите енергии отварят възможността за изучаване на структурата на материята на по-малките разстояния, колкото по-висока е енергията на сблъскващите се частици. Ускорителите значително увеличиха скоростта на получаване на нови данни и за кратко време разшириха и обогатиха знанията ни за свойствата на микросвета. Използването на ускорители за изследване на странни частици даде възможност да се изследват по-подробно техните свойства, по-специално характеристиките на тяхното разпадане и скоро доведе до важно откритие: изясняването на възможността за промяна на характеристиките на някои микропроцеси по време на операцията на огледално отражение - т.нар. нарушаване на пространствата, паритет (1956). Пускането в експлоатация на протонни ускорители с енергии от милиарди електронволта направи възможно откриването на тежки античастици: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-хиперони (1960). През 1964 г. е открит най-тежкият хиперон W- (с маса от около две протонни маси). През 60-те години. на ускорителите беше отворен голям бройизключително нестабилни (в сравнение с други нестабилни елементарни частици) частици, наречени "резонанси". Масите на повечето резонанси надвишават масата на протона. Първият от тях, D1 (1232), е известен от 1953 г. Оказа се, че резонансите съставляват по-голямата част от елементарните частици.

През 1962 г. беше установено, че има две различни неутрино: електрон и мюон. През 1964 г. неконсервирането на т.нар. комбиниран паритет (въведен от Li Tsung-dao и Yang Zhen-ning и независимо от L. D. Landau през 1956 г.), което означава необходимост от преразглеждане на обичайните възгледи за поведението на физическите процеси по време на операцията на отражение на времето.

През 1974 г. са открити масивни (3-4 протонни маси) и в същото време относително стабилни y-частици с необичайно дълъг живот за резонанси. Оказа се, че са тясно свързани с ново семейство елементарни частици - „очаровани“, първите представители на които (D0, D +, Lс) са открити през 1976 г. През 1975 г. се появява първата информация за съществуването на тежък аналог на електрон и мюон (тежък лептон t). През 1977 г. бяха открити--частици с маса от около десет протонни маси.

По този начин, през изминалите години от откриването на електрона, са идентифицирани огромен брой различни микрочастици материя. Светът на елементарните частици се оказа доста сложен. Свойствата на откритите елементарни частици се оказаха неочаквани в много отношения. За да ги опишем, в допълнение към характеристиките, заимствани от класическата физика, като електрически заряд, маса, ъглов импулс, беше необходимо да се въведат много нови специални характеристики, по-специално да се опишат странни елементарни частици - странност (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), „очаровани” елементарни частици - „чар” (американски физици J. Bjorken, S. Glashow, 1964); вече имената на дадените характеристики отразяват необичайните свойства на елементарните частици, описани от тях.

Проучване вътрешна структураМатерията и свойствата на елементарните частици от първите й стъпки е придружена от радикална ревизия на много добре установени концепции и концепции. Законите, регулиращи поведението на материята в малките, се оказаха толкова различни от законите класическа механикаи електродинамика, което изисква напълно нови теоретични конструкции за тяхното описание.

И необходимите количества. Последователността от действия, които трябва да бъдат извършени, за да се премине от първоначалните данни към желаните стойности, се нарича алгоритъм. 2. Историческо развитие на модели на елементарни частици 2.1 Три етапа от развитието на физиката на елементарните частици Първи етап. От електрон до позитрон: 1897-1932 (Елементарни частици - "атоми на Демокрит" на по-дълбоко ниво) Когато гръцката ...

Ограничен брой явления: Нютонова механика или далеч не оптимално или перфектно създаване на технология: лайнерът Титаник, самолет Ту-144, Конкорд, Чернобилска атомна електроцентрала, Космически корабисериал "Совалка" и много, много повече. 3. Развитие системен подходв науката 3.1 Ранни опити за систематизиране на физическите знания Първият наистина успешен опит за систематизиране на знания за ...

III Микрокосмос

Движение и физическо взаимодействие.

Основни принципи на съвременната физика и квантова механика: принципът на симетрията, принципът на взаимно допълване и несигурност, принципът на суперпозицията, принципът на съответствие. "Апофатизъм" в описанието на структурата и механиката на микросвета.

Богословско разбиране на тенденциите към изграждането на „Теорията на всичко”.

Литература за изучаване:

1. Barbour I.Религия и наука: история и настояще. - М.: Библейско-богословският институт на Св. ап. Андрей, 2001. - С. 199-216; 230-238; 253-256. (Електронен ресурс: http://www.mpda.ru/publ/text/59427.html)

2. А. А. ГореловКонцепции съвременна естествена наука... - М.: Висше образование, 2006. - C. 110-120.

3. Зелено Б.Елегантна вселена. Суперструни, скрити измерения и търсене на окончателна теория: Пер. от английски - М.: КомКнига, 2007.

4. Зелено Б.Тъканта на космоса: Пространство, време и текстура на реалността: Пер. от английски - М.: URSS, 2009.

5. А. И. ОсиповПътят на разума в търсене на истината. - SPb.: Satis, 2007. - S. 100-110.

6. Садохин А.П.Концепции на съвременната естествена наука: лекционен курс. - М.: Омега-L, 2006. - С. 64-78.

7. Feynman R., Природата на физическите закони. - М.: Наука, 1987. (Електронен ресурс: http://vivovoco.rsl.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN/CONT.HTM)

Историята на откриването на елементарни частици: атоми, адрони, кварки, струни.

Според древногръцките философи Левкип (Λεύκιππος, V век пр. Н. Е.) И Демокрит (Δημόκριτος; около 460 г. пр. Н. Е. - около 370 г. пр. Н. Е.) - основателите на атомизма, светът се основава на атоми- най-малките неделими частици, които се слепват и образуват всички живи и неживи.

Към 18 век. стана ясно, че атомът е елементарен химически неделимичастица, докато молекула, - елементарна частица от вещество, която запазва своите свойства, - се състои от определени "видове" атоми. Атомите от същия тип са получили имената на елементите. През 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев създава своя Периодичната таблица, включително 64 елемента (към октомври 2009 г., 117 химични елементисъс серийни номера от 1 до 116 и 118, от които 94 се срещат в природата (някои са само в следи), останалите 23 се получават изкуствено в резултат ядрени реакции).

Обаче вече през 1910-те. физиците стигат до извода за делимостта на атома (ἄτομος - неделим!). Създават се редица модели на атома, от които „планетарният“ модел на атома с изменените постулати е спечелил признание (Е. Ръдърфорд, Ърнест Ръдърфорд; 1871 - 1937, Н. Бор, Нилс Бор; 1885 - 1962) .

Скоро планетарният модел на атома беше признат за неподходящ поради основно противоречие с факта на линейния характер на радиационния спектър: електрон, въртящ се около положително заредено ядро, непрекъснато излъчва, тоест губи енергия и скоро трябва неизбежно да „падне "върху ядрото. Ситуацията беше коригирана от постулатите на Бор, при които електронът не можеше непрекъснато да губи енергия, излъчването възниква в резултат на скок-подобен преход към долната орбита. Същество квантова теорияатом през 20-те години показа, че постулатите на Бор трябва да бъдат изоставени. В същото време концепцията за атомното ядро остана същата, както след експериментите на Ръдърфорд върху разсейване на алфа частици в началото на 20-ти век: ядрото се състои от протони и някои, по-малкоелектрони. Неутронът е открит от английския физик Дж. Чадуик (1891 - 1974) през 1932 година. След това дойде следващият акт на драма. Смятало се е, че електронът, който излиза от ядрото по време на бета разпада, е един от електроните, които са били в ядрото. Но сега вече беше известно, че ядрото се състои от протони и неутрони. Откъде идва електронът? Изключителният италиански физик Е. Ферми (Enrico Fermi; 1901 - 1954) излага парадоксална хипотеза. В ядрото няма електрони, по време на разпадането се ражда електрон и неутронът се превръща в протон. Такова решение на въпроса изглеждаше толкова неприемливо, че реномираното списание Nature отказа да публикува статията на Ферми по тази тема. Това е първият прецедент за раждането на частица от енергия. Веригата от странни идеи не свърши дотук. Японският физик-теоретик Хидеки Юкава (1907 - 1981) изгражда прост физически модел, при който в резултат на обмена на нуклони от частица с ненулева маса възниква сила, която задържа нуклоните в ядрото. Юкава също изчислява масата на тази „виртуална“ частица. Според концепциите на физиците от онова време обаче частицата може да бъде разпозната като съществуваща, ако се намира и в свободно състояние. Бяха предприети търсения за частица Юкава в космически лъчи и изглежда, че частицата е намерена. Намерената частица обаче има по-малка маса от частицата Yukawa. Освен това се появиха данни, че намерената частица е подобна на електрон, но по-тежка. По-късно частицата е наречена му-мезон (гръцки μέσος - средна). Търсенето продължава и през четиридесетте години е намерена друга напълно подходяща частица (тя се нарича пи-мезон). През 1948 г. Юкава получава Нобелова награда.

По този начин физиците осъзнаха възможността за съществуване на частици във виртуално състояние, т.е.когато ядрото се раздели, частицата не се открива, но всъщност осигурява взаимното привличане на нуклони в ядрото. Оказа се, че не само атомите са неделими, но и "тухлите", които изграждат техните ядра - протони и неутрони.

През 60-те години. беше доказано, че тези частици също се състоят от още по-малки частици с частичен положителен или отрицателен заряд ( 1 /3-то дили 2/3 д) - кварки... Хипотезата, че "елементарните" частици са изградени от специфични субединици, е изложена за първи път от американските физици М. Гел-Ман (роден през 1929 г.) и Дж. Цвайг (роден през 1937 г.) през 1964 г. В периода от 1969 до 1994г. успя да обоснове експериментално, поне косвено, възможността за съществуване на кварки.

Думата "кварк" е заимствана от Гел-Ман от фантастичен роман J. Joyce "Finnegans Wake", където един от епизодите съдържа фразата "Три кварка за Muster Mark!" (обикновено се превежда като „Три кварка за М. Марк!“). Самата дума „кварк“ в тази фраза е предполагаемо ономатопея на плача на морските птици или означава нещо като „глупости“ на немски жаргон.

Кварките не съществуват автономно, „сами по себе си“, а само в система - „елементарна“ частица (протон, неутрон и др.) И се описват с такива специфични параметри като „аромат“ (6 вида, вижте диаграмата) и "цвят" ("червен," син "," зелен "," анти-червен "," анти-син "," анти-зелен "). Общият заряд от 2 или 3 кварка, комбинирани в система, трябва да бъде цяло число (0 или 1). Сумата от цветовете също е нула (бяла).

Кварките се „залепват“ един за друг поради силно физическо взаимодействие. Предполага се, че кварките също участват в електромагнитни и слаби взаимодействия. Освен това в първия случай кварките не променят цвета и аромата си, а във втория те променят аромата, запазвайки цвета.

Общо през двадесети век са открити около 400 елементарни частици. Някои от тях, както беше споменато по-горе, имат специфична структура (протон, неутрон), други са безструктурни (електрон, неутрино, фотон, кварк).

Елементарните частици имат доста голям брой параметри; следователно има няколко стандартни типа на техните класификации, дадени по-долу.

1. Чрез масата на покой на частица (маса на покой, определена по отношение на масата на покой на електрон, който се счита за най-леката от всички частици с маса):

фотони(φῶς, φωτός - светлина) - частици, които нямат маса в покой и се движат със скоростта на светлината;

лептони(λεπτός - светлина) - леки частици (електрон и различни видовенеутрино);

мезони(μέσος - средна, междинна) - средни частици с маса от една до хиляда електронни маси;

бариони(βαρύς - тежък) - тежки частици с маса над хиляда електронни маси (протони, неутрони, хиперони, много резонанси).

2. Чрез електрически заряд, винаги кратен на основната единица заряд - заряда на електрон (-1), който се счита за единица за отчитане на зарядите. Зарядите на частиците могат да бъдат отрицателни, положителни или нулеви. Както бе споменато по-горе, кварките се характеризират с частичен електрически заряд.

3. По вида на физическото взаимодействие (виж по-долу), в което участват определени елементарни частици. Според този показател те могат да бъдат разделени на три групи:

· адрони(ἁδρός - тежък, голям, силен), участващ в електромагнитни, силни и слаби взаимодействия (мезони и бариони);

· лептони,участва само в електромагнитни и слаби взаимодействия;

· частици - носители на взаимодействия (фотони- носители на електромагнитно взаимодействие, глуони -носители на силно взаимодействие, тежък вектор бозони- носители на слабо взаимодействие, хипотетично гравитони -частици, осигуряващи гравитационно взаимодействие).

4. Според живота на частиците:

· стабилен "дълготраен дроб"(фотон, неутрино, неутрон, протон, електрон; живот - до безкрайност);

· квазистабилна (резонанси); животът е 10 -24 -10 -26 s; разпад в резултат на електромагнитни и слаби взаимодействия;

· нестабилна(повечето елементарни частици; техният живот е 10 -10 - 10 -24 s).

5. На гърба (от англ. въртене- вретено, въртене (Xia)) - собствен моментимпулс (импулс) на частица, нейната вътрешна степен на свобода, осигуряваща допълнително физическо състояние. За разлика от класическия ъглов момент, който може да приеме всякакви стойности, спинът приема само пет възможни стойности. Това може да бъде цяло число (0, 1, 2) или полуцело число (1/2 (електрон, протон, неутрон), 3/2 (омега-хиперон)) число. Извикват се частици с половин цяло число спин фермионии с цяло число - бозони(фотони със спин 1; мезони - 0; гравитони - 2).

Всяка частица има своя собствена античастица (вещество и антиматерия). Когато се срещнат, настъпва взаимно унищожение (унищожаване) и се освобождава голямо количество енергия.

Намерените закономерности в свойствата на елементарните частици и разделянето им на „семейства“ или „поколения“ направи възможно поставянето на въпроса за наличието на вътрешни дълбоки закономерности, които определят техните свойства (виж диаграмата).

Има теории, обясняващи структурата на микросвета (например Стандартният модел). През 70-те години. много оригинален теория на струните(Джон Хенри Шварц, Шварц, р. 1941; Г. Венециано, Габриеле Венециано; р. 1942; М. Грийн, Майкъл Грийн и др.). Теория на струните- посоката на математическата физика, която изучава не точкови частици, като много клонове на физиката, а едномерно разширена геометрични обекти- квантов струни... Теорията се основава на хипотезата, че всички фундаментални частици и техните взаимодействия възникват в резултат на трептения (възбудени състояния) и взаимодействия на квантови струни на ултрамикроскопична енергия на скали от порядъка на т.нар. Планк дължина 10 −33 m, точно както звуците с различни честоти се генерират от вибрацията на струната на музикален инструмент. Нещо повече, самото пространство и времето се разглеждат като производни на определени режими на вибрация на струните. Вселената, съставена от безброй много от тези вибриращи струни, е като звучаща „космическа симфония“. Въпреки резолюцията на редица съществуващи проблеми, теорията на струните понастоящем остава главно математическа абстракция, която изисква експериментално потвърждение.

Откриването на елементарни частици е естествен резултат от общия напредък в изследването на структурата на материята, постигнат от физиката в края на 19 век.

Той е изготвен чрез цялостни изследвания на оптичните спектри на атомите, изследване на електрически явления в течности и газове, откриване на фотоелектричност, рентгенови лъчи, естествена радиоактивност, което свидетелства за съществуването на сложна структура на материята.

В исторически план първата открита елементарна частица е електронен носител с отрицателен елементарен електрически заряд в атомите. През 1897 г. Дж. Дж. Томсън установява, че катодните лъчи се образуват от поток от малки частици, които се наричат електрони.

През 1911 г. Е. Ръдърфорд, преминавайки алфа частици от естествен радиоактивен източник през тънки фолиа от различни вещества, установява, че положителният заряд в атомите е концентриран в компактни образувания - ядра, а през 1919 г. той открива протони сред частици, избити от атомни ядра - частици с единичен положителен заряд и маса 1840 пъти масата на електрон. Друга частица, съставляваща ядрото, неутронът, е открит през 1932 г. от J. Chadwick, докато изучава взаимодействието на a-частици с берилий. Неутронът има маса, близка до тази на протон, но няма електрически заряд. Откриването на неутрона завърши идентификацията на частиците - структурните елементи на атомите и техните ядра.

Заключението за съществуването на частица от електромагнитно поле - фотон произхожда от работата на М. Планк (1900). Ако приемем, че енергията на електромагнитното излъчване от черно тяло е квантована, Планк получава правилната формула за радиационния спектър. Развивайки идеята на Планк, А. Айнщайн (1905) постулира, че електромагнитното излъчване (светлина) всъщност е поток от отделни кванти (фотони) и на тази основа той обяснява законите на фотоелектричния ефект. Преки експериментални доказателства за съществуването на фотон са дадени от R. Millikan (1912-1915) и A. Compton (1922).

От 30-те до началото на 50-те. изследването на елементарните частици е било тясно свързано с изучаването на космическите лъчи. През 1932 г. в състава на космическите лъчи К. Андерсън открива позитрон (e +) - частица с масата на електрон, но с положителен електрически заряд. Позитронът е първата открита античастица. Съществуването на e + директно следва от релативистката теория за електрона, разработена от P. Dirac (1928-31) малко преди откриването на позитрона. През 1936 г. американските физици К. Андерсън и С. Недермайер откриват мюони (и на двата знака на електрически заряд), докато изучават космически лъчи - частици с маса около 200 електронни маси, но иначе изненадващо подобни по свойства на e-, e +.

От началото на 50-те. ускорителите се превърнаха в основния инструмент за изследване на елементарни частици. През 70-те. енергиите на ускорените в ускорителите частици възлизат на десетки и стотици милиарди електронволта (GeV). Желанието за увеличаване на енергиите на частиците се дължи на факта, че високите енергии отварят възможността за изучаване на структурата на материята на по-малките разстояния, колкото по-висока е енергията на сблъскващите се частици. Ускорителите значително увеличиха скоростта на получаване на нови данни и за кратко време разшириха и обогатиха знанията ни за свойствата на микросвета. Използването на ускорители за изследване на странни частици даде възможност да се изследват по-подробно техните свойства, по-специално характеристиките на тяхното разпадане, и скоро доведе до важно откритие: изясняването на възможността за промяна на характеристиките на някои микропроцеси по време на операцията на огледално отражение - нарушаване на пространствата, паритет (1956). Пускането в експлоатация на протонни ускорители с енергии от милиарди електронволта направи възможно откриването на тежки античастици: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-хиперони (1960). През 1964 г. е открит най-тежкият хиперон W- (с маса от около две протонни маси). През 60-те години. при ускорителите беше открит голям брой изключително нестабилни (в сравнение с други нестабилни елементарни частици) частици, които бяха наречени „резонанси“. Масите на повечето резонанси надвишават масата на протона. Първият от тях, D1, съществува от 1953 година. Оказа се, че резонансите съставляват по-голямата част от елементарните частици.

През 1962 г. беше установено, че има две различни неутрино: електрон и мюон. През 1964 г. неконсервирането на т.нар. комбиниран паритет (въведен от Li Tsung-dao и Yang Zhen-ning и независимо от L.D. Landau през 1956 г.), което означава необходимост от преразглеждане на обичайните възгледи за поведението на физическите процеси по време на операцията на отражение на времето.

През 1974 г. са открити масивни (3-4 протонни маси) и в същото време относително стабилни y-частици с необичайно дълъг живот на резонансите. Оказа се, че са тясно свързани с ново семейство елементарни частици - "очаровани", първите представители на които (D0, D +, Lс) са открити през 1976 г. През 1975 г. се появява първата информация за съществуването на тежък аналог на електрон и мюон (тежък лептон t). През 1977 г. бяха открити--частици с маса от около десет протонни маси.

Съществуване елементарни частици учени, открити при изучаването на ядрените процеси, следователно до средата на 20 век физиката на елементарните частици е раздел ядрена физика... Понастоящем тези клонове на физиката са близки, но независими, обединени от общото между много от разглежданите проблеми и използваните изследователски методи. Основната задача на физиката на елементарните частици е изучаването на същността, свойствата и взаимните трансформации на елементарните частици.

Идеята, от която се състои светът основни частици , То има дълга история... За първи път идеята за съществуването на най-малките невидими частици, съставляващи всички околни обекти, е изразена 400 години пр. Н. Е. От гръцкия философ Демокрит. Той нарече тези частици атоми, тоест неделими частици. Науката започва да използва понятието атоми едва в началото на 19 век, когато на тази основа е възможно да се обяснят редица химични явления. През 30-те години на XIX век, в теорията на електролизата, разработена от М. Фарадей, се появява концепцията за йон и се извършва измерването на елементарния заряд. Краят на XIXвек е белязан от откриването на явлението радиоактивност (1896, А. Бекерел), както и от откритията на електрони (1897, Дж. Томсън) и α-частици (1899, Е. Ръдърфорд). През 1905 г. физиката разработва концепцията за квантите на електромагнитното поле - фотони (А. Айнщайн).

През 1911 г. е открито атомното ядро (Е. Ръдърфорд) и накрая е доказано, че атомите имат сложна структура. През 1919 г. Ръдърфорд открива протони в продуктите на делене на атомни ядра на редица елементи. През 1932 г. J. Chadwick открива неутрона. Стана ясно, че ядрата на атомите, както и самите атоми, имат сложна структура. Възникна протон-неутронната теория за структурата на ядрата (Д. Д. Иваненко и В. Хайзенберг). През същата 1932 г. в космическите лъчи е открит позитрон (К. Андерсън). Позитронът е положително заредена частица със същата маса и същия (по модул) заряд като електрон. Съществуването на позитрона е предсказано от П. Дирак през 1928г. През тези години бяха открити и изследвани взаимни трансформации на протони и неутрони и стана ясно, че тези частици също не са неизменни елементарни "тухли" на природата. През 1937 г. в космическите лъчи бяха открити частици с маса 207 електронни маси, т.нар мюони (μ-мезони). След това през 1947-1950 г. са открити божури (т.е. π-мезони), които според съвременните концепции осъществяват взаимодействието между нуклоните в ядрото. През следващите години броят на новооткритите частици започва да расте бързо. Това беше улеснено от изследвания на космическите лъчи, развитието на ускорителна технология и изучаването на ядрените реакции.

В момента са известни около 400 субядрени частици, които обикновено се наричат елементарни. По-голямата част от тези частици са нестабилни... Изключение правят само фотон, електрон, протон и неутрино. Всички останали частици, на равни интервали, изпитват спонтанентрансформация в други частици. Нестабилните елементарни частици се различават значително една от друга по отношение на живота. Най-дълго живеещата частица е неутронът. Животът на неутроните е около 15 минути. Други частици "живеят" много по-кратко време. Например, средният живот на μ мезон е 2.2 · 10 –6 s, а неутрален π мезон е 0.87 · 10 –16 s. Много масивни частици - хиперони - имат среден живот от порядъка на 10 –10 s.

Има няколко десетки частици с живот над 10 –17 s. В мащаба на микросвета това е значително време. Такива частици се наричат относително стабилен ... Повечето краткотраенелементарните частици имат време на живот от порядъка на 10 –22 –10 –23 s.

Способността за взаимно преобразуване е най-важното свойство на всички елементарни частици. Те са способни да се раждат и унищожават (излъчват и поглъщат). Това се отнася и за стабилни частици с единствената разлика, че трансформациите на стабилни частици не се случват спонтанно, а при взаимодействие с други частици. Пример за това е унищожение (т.е. изчезване) електрон и позитрон, придружени от производството на високоенергийни фотони. Може да се извърши и обратният процес - раждане двойка електрон-позитрон, например, когато фотон с достатъчно висока енергия се сблъска с ядро. Протонът има и толкова опасен двойник като позитрон за електрона. Нарича се антипротон ... Електрическият заряд на антипротона е отрицателен. Понастоящем античастици намерени за всички частици. Античастиците се противопоставят на частиците, тъй като когато някоя частица се срещне със своята античастица, те се унищожават, тоест и двете частици изчезват, превръщайки се в кванти на радиация или други частици.

Установено е, че дори неутронът има античастица. Неутронът и антинейтронът се различават само по знаците на магнитния момент и така наречения барионен заряд. Възможно е съществуването на атоми антиматериячиито ядра са съставени от антинуклеони, а черупката е съставена от позитрони. По време на унищожаването на антиматерията с материя, останалата енергия се преобразува в енергията на радиационните кванти. Това е огромна енергия, значително по-добра от тази, която се отделя по време на ядрени и термоядрени реакции.

В разнообразието от елементарни частици, познати до момента, се открива повече или по-малко хармонична система за класификация. Таблица 6.9.1 представя малко информация за свойствата на елементарните частици с живот над 10 –20 s. От многото свойства, характеризиращи елементарна частица, само масата на частиците (в електронни маси), електрическият заряд (в единици елементарен заряд) и ъгловият момент (т.нар. въртене ) в единици на константата на Планк ħ = з/ 2π. Таблицата също така показва средния живот на частицата.

Елементарните частици са групирани в три групи: фотони , лептони и адрони .

Към групата фотониединствената частица е фотонът, който е носител на електромагнитното взаимодействие.

Следващата група се състои от леки частици - лептони... Тази група включва два вида неутрино (електрон и мюон), електрон и μ-мезон. Leptons също включват редица частици, които не са изброени в таблицата. Всички лептони имат спин

Третата голяма група се състои от тежки частици т.нар адрони... Тази група е разделена на две части. По-леките частици съставляват подгрупа мезони ... Най-леките от тях са положително и отрицателно заредени, както и неутрални π-мезони с маси около 250 електронни маси (Таблица 6.9.1). Божурите са кванти на ядрено поле, както фотоните са кванти на електромагнитно поле. Тази подгрупа включва също четири К-мезони и един η 0 -мезон. Всички мезони имат нулев спин.

Втората подгрупа - бариони - включва по-тежки частици. Той е най-обширен. Най-леките от барионите са нуклоните - протони и неутрони. Те са последвани от така наречените хиперони. Омега-минус-хиперонът, открит през 1964 г., затваря масата.Тя е тежка частица с маса 3273 електронни маси. Всички бариони имат завъртане

Изобилието от открити и новооткрити адрони доведе учените до идеята, че всички те са изградени от някои други по-фундаментални частици. През 1964 г. американският физик М. Гел-Ман излага хипотеза, потвърдена от последващи изследвания, че всички тежки частици - адрони - са изградени от по-фундаментални частици, наречени кварки ... Въз основа на хипотезата за кварка не само беше разбрана структурата на вече известни адрони, но беше предсказано и съществуването на нови. Теорията на Гел-Ман предполага съществуването на три кварка и три антикварки, които се свързват помежду си в различни комбинации. По този начин всеки барион се състои от три кварка, а антибарионът се състои от три антикварка. Мезоните са съставени от двойки кварк - антикварк.

С приемането на хипотезата за кварка стана възможно да се създаде хармонична система от елементарни частици. Предсказаните свойства на тези хипотетични частици обаче се оказаха доста неочаквани. Електрическият заряд на кварките трябва да бъде изразен дробни числа, равен и елементарен заряд.

Многобройните търсения на кварки в свободно състояние, извършени с високоенергийни ускорители и в космически лъчи, бяха неуспешни. Учените смятат, че една от причините за ненаблюдаемостта на свободните кварки е, вероятно, много голямата им маса. Това предотвратява производството на кварки при енергиите, които се постигат със съвременни ускорители. Въпреки това повечето експерти вече са убедени, че кварки съществуват в тежки частици - адрони.