Mensaje descubrimiento de las principales características de las partículas elementales. Descubrimiento de partículas elementales

Se considera que una partícula elemental es una partícula primaria o indescomponible que constituye toda la materia. Sin embargo, en la física moderna, el término "partícula elemental" se usa para nombrar un gran grupo de las partículas más pequeñas de materia. Este grupo incluye protones, neutrones, electrones, fotones, mesones pi, muones, leptones pesados, tres tipos de neutrinos, partículas extrañas (mesones K, hiperones), varias resonancias, partículas "encantadas", partículas upsilon, partículas "hermosas". , bosones intermedios (W ± , Z 0). Más de 500 partículas en total. Las partículas que pretenden ser los elementos primarios de la materia se denominan " partículas elementales verdaderas» .

En la historia de la ciencia, la primera partícula descubierta fue electrón es un portador de carga eléctrica negativa. El electrón fue descubierto por primera vez por el físico inglés Joseph Thomson, en 1897. En 1919, el físico inglés Ernest Rutherford descubierto protón- una partícula que forma parte de los núcleos atómicos con carga positiva y una masa 1840 veces mayor que la masa de un electrón. Otra partícula que es parte del núcleo - neutrón, fue descubierto en 1932 por el físico inglés James Chadwick. La idea de un fotón como partícula tiene su origen en el trabajo del físico alemán Max tablón, presentó en 1900 la suposición de la cuantización de la energía de la radiación electromagnética. En el desarrollo de la idea de Planck, Einstein en 1905 estableció que radiación electromagnética es una corriente de cuantos individuales ( fotones) y sobre esta base explicó las leyes del efecto fotoeléctrico. La evidencia experimental directa de la existencia del fotón fue realizada por los físicos estadounidenses Robert Milliken (1912) y A. Compton(1922).

Existencia neutrino propuesto por primera vez por Wulfgang pauli(1930), y experimentalmente el neutrino electrónico fue descubierto recién en 1962 por los físicos estadounidenses F. Reines y C. Cone. La primera antipartícula descubierta es positrón con la masa de un electrón, pero con una carga eléctrica positiva. Fue descubierto en la composición de los rayos cósmicos por el físico estadounidense K. Anderson en 1953. En 1946, Anderson y Neddermeyer (EE.UU.) lo descubrieron en la composición de los rayos cósmicos. muones con ambos signos de carga eléctrica (µ - y µ +). Los muones tienen una masa de alrededor de 200 masas de electrones, y sus otras propiedades son cercanas a las de un electrón y un positrón. En 1947, como parte de los rayos cósmicos, los físicos estadounidenses bajo la dirección de S. Powell descubrieron π ־ y π + - mesones. La existencia de tales partículas fue propuesta por un físico japonés H. Yukavoy en 1935. A principios de los años 50. descubrió un gran grupo de partículas propiedades inusuales, llamado " extraño." Las primeras partículas de este grupo - K ־ y K + - mesones, Λ - hiperones se encontraron en la composición de los rayos cósmicos. Los descubrimientos posteriores de partículas "extrañas" se realizaron utilizando aceleradores de partículas. Desde principios de los años 50. Los aceleradores se han convertido en la principal herramienta para la investigación de la CE. En 1955 se inauguró antiprotón, 1956 - antineutrón, 1960 – Hiperón antisigma, y en 1964 - el hiperón más pesado -. En 1960, se encontraron aceleradores partículas resonantes. Son inestables y muy numerosos, por lo que constituyen la parte principal de la CE.

En 1962, los científicos descubrieron que hay dos tipos diferentes neutrino: electrón y muón. En 1974, masivo y al mismo tiempo relativamente estable " encantado» partículas (D 0 , D + , F + etc.). En 1975, se descubrió un análogo pesado del electrón y el muón (τ - leptón), en 1981 - “ hermosa» partículas, y en 1983 – bosones intermedios(W ± y Z 0).

Así, se estableció que el mundo de la EC es muy complejo y diverso. Entre partículas elementales el electrón es el más conocido y utilizado. Todo comenzó con el hecho de que, al pasar una corriente a través de un electrolito, Faraday midió la cantidad de sustancias liberadas en los electrodos y llegó a la conclusión de que en la naturaleza existe la carga eléctrica más pequeña igual a la carga de un ion de hidrógeno.

Al físico inglés J. Stoney se le ocurrió un nombre especial para la carga eléctrica más pequeña: " electrón". Desde mediados del siglo XIX, los físicos comenzaron a experimentar con descargas eléctricas en tubos de vidrio especiales con electrodos soldados en las paredes. Cuando se bombeó el gas, la corriente en el circuito no se detuvo cuando se calentaron los cátodos. Esta corriente fue acompañada por un hermoso y misterioso resplandor. Está claro que la corriente no puede fluir a través del vacío. La transferencia de electricidad del cátodo al ánodo se llama rayos catódicos. el físico inglés joseph Thomson Estableció la naturaleza de los rayos catódicos, demostró experimentalmente que los rayos catódicos son una corriente de diminutas partículas cargadas negativamente. Él, colocando un tubo de vidrio en un campo magnético, investigó la desviación de los rayos catódicos de una línea recta y descubrió que la relación de carga a masa (e / me) para los electrones es mil veces mayor que la de la misma relación para el hidrógeno. iones (e/mn) establecidos anteriormente por Faraday.

Thomson, aceptando audazmente la hipótesis de que los electrones y los iones de hidrógeno tienen la misma carga elemental, llegó a la conclusión de que los electrones tienen una masa insignificante en comparación con los átomos. Había dudas sobre la indivisibilidad del átomo. Descubierto por Henri Becquerel radiactividad de los átomos en 1896 sacudieron finalmente las afirmaciones sobre la indivisibilidad del átomo. A principios del siglo XX, Ernest Rutherford demostró que de los tres tipos de rayos - , β y γ emitidos por el radio, los rayos β -, estos son los mismos electrones que vio Thomson.

Preguntas para el autocontrol.

1. ¿Qué son las partículas elementales?

2. ¿Cuántas partículas elementales ha establecido la ciencia?

3. ¿Qué partículas se llaman "partículas elementales verdaderas"?

4. ¿Qué partícula es la primera partícula descubierta en la historia de la ciencia?

5. ¿Quién descubrió el electrón y cuándo?

6. ¿Quién descubrió el protón y cuándo?

7. ¿Quién descubrió el neutrón y cuándo?

8. ¿Quién descubrió el fotón y cuándo?

9. ¿Quién y cuándo sugirió la existencia de neutrinos?

10. ¿En qué año se descubrieron experimentalmente los neutrinos?

11. ¿Quién y cuándo descubrió la primera antipartícula de positrones?

12. ¿Quién y cuándo sugirió la existencia de mesones?

13. ¿En qué años se descubrió un gran grupo de partículas, las llamadas "extrañas"?

14. ¿En qué año se descubrieron las partículas "encantadas"?

15. ¿En qué año se descubrieron las partículas "hermosas"?

16. ¿En qué año se descubrieron las partículas, los llamados "bosones intermedios"?

17. ¿Quién y cuándo descubrió la radiactividad de los átomos?

Introducción

1. Descubrimiento de partículas elementales

2. Teorías de partículas elementales

2.1. Electrodinámica cuántica (QED)

2.2. teoría de los quarks

2.3. Teoría de la interacción electrodébil

2.4. cromodinámica cuántica

Conclusión

Literatura

Introducción.

A mediados y segunda mitad del siglo XX se obtuvieron resultados verdaderamente asombrosos en aquellas ramas de la física que se ocupan del estudio de la estructura fundamental de la materia. En primer lugar, esto se manifestó en el descubrimiento de una gran cantidad de nuevas partículas subatómicas. Suelen llamarse partículas elementales, pero no todas son realmente elementales. Muchos de ellos, a su vez, consisten en partículas aún más elementales.

El mundo de las partículas subatómicas es verdaderamente diverso. Estos incluyen protones y neutrones que forman los núcleos atómicos, así como electrones que giran alrededor de los núcleos. Pero también hay partículas que prácticamente no se dan en la materia que nos rodea. Su vida útil es extremadamente corta, es la fracción más pequeña de un segundo. Después de este tiempo extremadamente corto, se descomponen en partículas ordinarias. Sorprendentemente, hay muchas de estas partículas inestables de vida corta: ya se conocen varios cientos de ellas.

En las décadas de 1960 y 1970, los físicos estaban completamente desconcertados por la abundancia, variedad y rareza de las partículas subatómicas recién descubiertas. Parecía que no había fin para ellos. Es completamente incomprensible por qué tantas partículas. ¿Son estas partículas elementales fragmentos caóticos y aleatorios de materia? ¿O tal vez tienen la clave para comprender la estructura del universo? El desarrollo de la física en las décadas siguientes demostró que no hay duda acerca de la existencia de tal estructura. A finales del siglo XX. la física comienza a comprender cuál es el significado de cada una de las partículas elementales.

El mundo de las partículas subatómicas tiene un orden profundo y racional. Este orden se basa en interacciones físicas fundamentales.

1. Descubrimiento de las partículas elementales.

El descubrimiento de las partículas elementales fue un resultado natural del progreso general en el estudio de la estructura de la materia, logrado por la física a fines del siglo XIX. Fue preparado por estudios exhaustivos de los espectros ópticos de los átomos, el estudio de los fenómenos eléctricos en líquidos y gases, el descubrimiento de la fotoelectricidad, los rayos X, la radiactividad natural, que atestiguaron la existencia de una estructura compleja de la materia.

Históricamente, la primera partícula elemental descubierta fue el electrón, el portador de la carga eléctrica elemental negativa en los átomos. En 1897, J. J. Thomson estableció que los llamados. Los rayos catódicos están formados por una corriente de partículas diminutas, a las que se les llamó electrones. En 1911, E. Rutherford, pasando partículas alfa de una fuente radiactiva natural a través de láminas delgadas varias sustancias, descubrió que la carga positiva en los átomos se concentra en formaciones compactas - núcleos, y en 1919 encontró entre las partículas eliminadas de los núcleos atómicos, los protones - partículas con una unidad de carga positiva y una masa 1840 veces mayor que la masa de un electrón . Otra partícula que forma el núcleo, el neutrón, fue descubierta en 1932 por J. Chadwick mientras estudiaba la interacción de las partículas a con el berilio. El neutrón tiene una masa cercana a la del protón, pero no tiene carga eléctrica. El descubrimiento del neutrón completó la identificación de partículas - elementos estructuralesátomos y sus núcleos.

Conclusión sobre la existencia de una partícula. campo electromagnetico- fotón - se origina en el trabajo de M. Planck (1900). Asumiendo que la energía de la radiación electromagnética de un cuerpo absolutamente negro está cuantificada, Planck obtuvo la fórmula correcta para el espectro de radiación. Desarrollando la idea de Planck, A. Einstein (1905) postuló que la radiación electromagnética (luz) es en realidad una corriente de cuantos individuales (fotones), y sobre esta base explicó las leyes del efecto fotoeléctrico. R. Millikan (1912-1915) y A. Compton (1922) dieron pruebas experimentales directas de la existencia del fotón.

El descubrimiento del neutrino, partícula que casi no interactúa con la materia, tiene su origen en la conjetura teórica de W. Pauli (1930), que permitió, al suponer el nacimiento de tal partícula, eliminar las dificultades con la ley de conservación de la energía en los procesos de desintegración beta de núcleos radiactivos. La existencia de neutrinos se confirmó experimentalmente recién en 1953 (F. Reines y K. Cowen, EE. UU.).

Desde los años 30 hasta principios de los 50. el estudio de las partículas elementales estaba estrechamente relacionado con el estudio de los rayos cósmicos. En 1932, en la composición de los rayos cósmicos, K. Anderson descubrió el positrón (e +), una partícula con la masa de un electrón, pero con una carga eléctrica positiva. El positrón fue la primera antipartícula descubierta. La existencia de e+ se deriva directamente de la teoría relativista del electrón desarrollada por P. Dirac (1928-31) poco antes del descubrimiento del positrón. En 1936, los físicos estadounidenses K. Anderson y S. Neddermeyer descubrieron muones (de ambos signos de carga eléctrica) en el estudio de los rayos ósmicos, partículas con una masa de alrededor de 200 masas de electrones, pero por lo demás sorprendentemente similares en propiedades a e-, mi +.

En 1947, también en rayos cósmicos, el grupo de S. Powell descubrió mesones p+ y p- con una masa de 274 masas de electrones, que juegan un papel importante en la interacción de protones con neutrones en los núcleos. La existencia de tales partículas fue sugerida por H. Yukawa en 1935.

Finales de los 40 - principios de los 50. estuvieron marcados por el descubrimiento de un gran grupo de partículas con propiedades inusuales, denominadas "extrañas". Las primeras partículas de este grupo, K + - y K - mesones, L-, S + -, S- -, X- - hiperones, se descubrieron en rayos cósmicos, los descubrimientos posteriores de partículas extrañas se hicieron en aceleradores - instalaciones que crean flujos intensos de protones y electrones rápidos. Al chocar con la materia, los protones y electrones acelerados dan lugar a nuevas partículas elementales, que se convierten en objeto de estudio.

Desde principios de los años 50. Los aceleradores se han convertido en la principal herramienta para el estudio de las partículas elementales. en los años 70 las energías de las partículas dispersas en los aceleradores ascendían a decenas y cientos de miles de millones de electronvoltios (GeV). El deseo de aumentar las energías de las partículas se debe al hecho de que las altas energías abren la posibilidad de estudiar la estructura de la materia a distancias más cortas, mayor es la energía de las partículas que chocan. Los aceleradores aumentaron significativamente la tasa de obtención de nuevos datos y en poco tiempo ampliaron y enriquecieron nuestro conocimiento de las propiedades del micromundo. El uso de aceleradores para estudiar partículas extrañas permitió estudiar con más detalle sus propiedades, en particular las características de su decaimiento, y pronto condujo a un importante descubrimiento: la elucidación de la posibilidad de cambiar las características de algunos microprocesos durante la operación. de reflejo de espejo - el llamado. violación de espacios, paridad (1956). La puesta en marcha de aceleradores de protones con energías de miles de millones de electronvoltios permitió descubrir antipartículas pesadas: el antiprotón (1955), el antineutrón (1956) y los antisigma hiperones (1960). En 1964, se descubrió el hiperón W- más pesado (con una masa de aproximadamente dos masas de protones). En los años 1960 en los aceleradores se abrió Número grande extremadamente inestables (en comparación con otras partículas elementales inestables), llamadas "resonancias". Las masas de la mayoría de las resonancias superan la masa del protón. El primero de ellos D1 (1232) se conoce desde 1953. Resultó que las resonancias constituyen la parte principal de las partículas elementales.

En 1962 se descubrió que hay dos neutrinos diferentes: electrón y muón. En 1964, en las desintegraciones de los mesones K neutros, se descubrió la llamada no conservación. paridad combinada (introducida por Li Tsung-tao y Yang Chen-ning e independientemente por L. D. Landau en 1956), lo que significa la necesidad de revisar los puntos de vista habituales sobre el comportamiento de los procesos físicos en la operación de la reflexión del tiempo.

En 1974, se descubrieron partículas y masivas (3-4 masas de protones) y al mismo tiempo relativamente estables, con una vida inusualmente larga para las resonancias. Resultó estar estrechamente relacionado con una nueva familia de partículas elementales: "encantadas", cuyos primeros representantes (D0, D +, Lc) se descubrieron en 1976. En 1975, la primera información sobre la existencia de un análogo pesado de se obtuvo el electrón y el muón (leptón pesado t). En 1977, se descubrieron partículas Ў con una masa del orden de diez masas de protones.

Así, a lo largo de los años que han pasado desde el descubrimiento del electrón, se han revelado una gran cantidad de diversas micropartículas de materia. El mundo de las partículas elementales resultó ser bastante complicado. Las propiedades de las partículas elementales descubiertas resultaron ser inesperadas en muchos aspectos. Para describirlos, además de las características tomadas de la física clásica, como la carga eléctrica, la masa, el momento angular, fue necesario introducir muchas características especiales nuevas, en particular, para describir partículas elementales extrañas: extrañeza (K. Nishijima, M . Gell-Man , 1953), partículas elementales "encantadas" - "encanto" (físicos estadounidenses J. Bjorken, S. Glashow, 1964); ya los nombres de las características anteriores reflejan la naturaleza inusual de las propiedades de las partículas elementales que describen.

Estudio de estructura interna la materia y las propiedades de las partículas elementales desde sus primeros pasos estuvo acompañada de una revisión radical de muchos conceptos e ideas establecidos. Los patrones que gobiernan el comportamiento de la materia en lo pequeño resultaron ser tan diferentes de los patrones mecanica clasica y la electrodinámica, que requirió construcciones teóricas completamente nuevas para su descripción.

Y los valores deseados. La secuencia de acciones que se deben realizar para pasar de los datos iniciales a los valores deseados se denomina algoritmo. 2. Desarrollo histórico de los modelos de partículas elementales 2.1 Tres etapas en el desarrollo de la física de partículas elementales Etapa uno. Del electrón al positrón: 1897-1932 (Partículas elementales - "átomos de Demócrito" en un nivel más profundo) Cuando los griegos...

Un número limitado de fenómenos: la mecánica newtoniana, o una creación de tecnología lejos de ser óptima o perfecta: el transatlántico Titanic, Tu-144, Concorde, Central nuclear de Chernóbil, naves espaciales serie "Shuttle" y mucho, mucho más. 3. Desarrollo enfoque de sistemas en ciencia 3.1 Primeros intentos de sistematizar el conocimiento físico El primer intento realmente exitoso de sistematizar el conocimiento sobre...

III Micromundo

Movimiento e interacción física.

Los principios fundamentales de la física moderna y la mecánica cuántica: el principio de simetría, el principio de complementariedad y la relación de incertidumbre, el principio de superposición, el principio de correspondencia. "Apofatismo" en la descripción de la estructura y mecánica del microcosmos.

Comprensión teológica de las tendencias hacia la construcción de la "Teoría del Todo".

Literatura para el estudio:

1. Barbour I. Religión y ciencia: historia y modernidad. - M.: Instituto Bíblico y Teológico de St. aplicación Andrey, 2001. - C. 199-216; 230-238; 253-256. (Recurso electrónico: http://www.mpda.ru/publ/text/59427.html)

2. Gorelov A.A. Conceptos ciencias naturales modernas. – M.: Educación más alta, 2006. - C. 110-120.

3. verde b. universo elegante. Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de la teoría final: Per. De inglés. – M.: KomKniga, 2007.

4. verde b. El Tejido del Cosmos: Espacio, Tiempo y la Textura de la Realidad: Per. De inglés. – M.: URSS, 2009.

5. Osipov I.A. El camino de la mente en busca de la verdad. - San Petersburgo: Satis, 2007. - S. 100-110.

6. Sadokhin A.P. Conceptos de la ciencia natural moderna: un curso de conferencias. - M.: Omega-L, 2006. - S. 64-78.

7. Feynman R.., La naturaleza de las leyes físicas. - M.: Nauka, 1987. (Recurso electrónico: http://vivovoco.rsl.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN/CONT.HTM)

La historia del descubrimiento de las partículas elementales: átomos, hadrones, quarks, cuerdas.

Según los antiguos filósofos griegos Leucipo (Λεύκιππος, siglo V a. C.) y Demócrito (Δημόκριτος; c. 460 a. C. - c. 370 a. C.), los fundadores del atomismo, el mundo se basa en átomos- las partículas indivisibles más pequeñas que se entrelazan y forman todo lo vivo y lo no vivo.

Para el siglo XVIII quedó claro que el átomo es elemental químicamente indivisible partícula, mientras que molécula, - una partícula elemental de una sustancia que retiene sus propiedades - consta de ciertos "tipos" de átomos. Los átomos del mismo tipo se denominan elementos. En 1869, Dmitry Ivanovich Mendeleev creó su propio sistema periodico, que incluye 64 elementos (a octubre de 2009, se conocen 117 elementos químicos con números de serie del 1 al 116 y 118, de los cuales 94 se encuentran en la naturaleza (algunos solo en cantidades ínfimas), los 23 restantes se obtienen artificialmente como resultado de reacciones nucleares).

Sin embargo, ya en la década de 1910. los físicos llegan a la conclusión de que el átomo es divisible (ἄτομος - ¡indivisible!). Se están creando varios modelos del átomo, de los cuales el modelo "planetario" del átomo con enmiendas de postulados ha ganado reconocimiento (E. Rutherford, Ernest Rutherford; 1871 - 1937, N. Bohr, Niels Bohr; 1885 - 1962) .

El modelo planetario del átomo fue reconocido muy pronto como inadecuado debido a una contradicción fundamental con el hecho de la naturaleza lineal del espectro de radiación: un electrón que gira alrededor de un núcleo cargado positivamente irradia continuamente, es decir, pierde energía y pronto debe inevitablemente "caer". ” sobre el núcleo. La situación fue corregida por los postulados de Bohr, en los cuales el electrón no podía perder energía continuamente, la radiación se produce como resultado de una transición abrupta a una órbita inferior. Creación Teoría cuánticaátomo en la década de 1920 mostró que los postulados de Bohr deben ser abandonados. Al mismo tiempo, el concepto de núcleo atómico se mantuvo igual que después de los experimentos de Rutherford sobre la dispersión de partículas alfa a principios del siglo XX: el núcleo consta de protones y algunos menos electrones El neutrón fue descubierto por el físico inglés J. Chadwick (James Chadwick; 1891 - 1974) en 1932. Luego vino el siguiente acto del drama. Se creía que el electrón que sale volando del núcleo durante la desintegración beta es uno de los electrones que estaban en el núcleo. Pero ahora ya se sabía que el núcleo está formado por protones y neutrones. ¿De dónde viene el electrón? El destacado físico italiano E. Fermi (Enrico Fermi; 1901 - 1954) planteó una hipótesis paradójica. No hay electrones en el núcleo; durante la desintegración, nace un electrón y un neutrón se convierte en un protón. Tal solución parecía tan inaceptable que la prestigiosa revista Nature se negó a publicar el artículo de Fermi sobre el tema. Este es el primer precedente del nacimiento de una partícula de energía. La cadena de ideas extrañas no se rompió. El físico teórico japonés Hideki Yukawa (1907 - 1981) construyó un modelo físico sencillo en el que, como resultado del intercambio de nucleones por una partícula de masa distinta de cero, surge una fuerza que mantiene a los nucleones en el núcleo. Yukawa también calculó la masa de esta partícula "virtual". Sin embargo, según los conceptos de los físicos de la época, se puede reconocer que una partícula existe si también se encuentra en estado libre. Se realizaron búsquedas de la partícula Yukawa en los rayos cósmicos, y parece que se encontró la partícula. Sin embargo, la partícula encontrada tenía una masa más pequeña que la partícula Yukawa. Además, aparecieron datos de que la partícula encontrada es similar a un electrón, pero más pesada. Posteriormente, la partícula se denominó mu-mesón (del griego μέσος - promedio). La búsqueda continuó, y en los años cuarenta se encontró otra partícula completamente adecuada (se la llamó pi-mesón). Yukawa recibió el Premio Nobel en 1948.

Por lo tanto, los físicos se dieron cuenta de la posibilidad de la existencia de partículas en un estado virtual, es decir, durante la división del núcleo, la partícula no se detecta, pero en realidad asegura la atracción mutua de los nucleones en el núcleo. Resultó que no solo los átomos son indivisibles, sino también los "ladrillos" que forman sus núcleos: protones y neutrones.

En los años 1960 se demostró que estas partículas también consisten en partículas aún más pequeñas con una carga fraccionaria positiva o negativa ( 1 /3 mi o 2/3 mi) - quarks. La hipótesis de que las partículas "elementales" se construyen a partir de subunidades específicas fue propuesta por primera vez por los físicos estadounidenses M. Gell-Mann (Murray Gell-Mann; nacido en 1929) y J. Zweig (nacido en 1937) en 1964. Entre 1969 y 1994 logró fundamentar experimentalmente, al menos indirectamente, la posibilidad de la existencia de los quarks.

Gell-Mann tomó prestada la palabra "quark" de novela de ciencia ficción"Finnegans Wake" de J. Joyce, donde en uno de los episodios aparece la frase "¡Tres quarks para Muster Mark!" (generalmente traducido como "¡Tres quarks para M. Mark!"). La misma palabra "quark" en esta frase es supuestamente una onomatopeya del grito de las aves marinas o algo así como "tonterías" en la jerga alemana.

Los quarks no existen de forma autónoma, "por sí mismos", sino solo en un sistema: una partícula "elemental" (protón, neutrón, etc.), y se describen mediante parámetros específicos como "aroma" (6 tipos, ver diagrama) y “color” (“rojo, “azul”, “verde”, “anti-rojo”, “anti-azul”, “anti-verde”). La carga total de 2 o 3 quarks combinados en un sistema debe ser un número entero (0 o 1). La suma de los colores también es "cero" (blanco).

Los quarks se "aferran" entre sí debido a la fuerte interacción física. Se ha sugerido que los quarks también participan en interacciones electromagnéticas y débiles. Además, en el primer caso, los quarks no cambian de color y sabor, y en el segundo caso, cambian de sabor, conservando el color.

En total, durante el siglo XX se descubrieron unas 400 partículas elementales. Algunos de ellos, como se mencionó anteriormente, tienen una cierta estructura (protón, neutrón), otros no tienen estructura (electrón, neutrino, fotón, quark).

Las partículas elementales tienen una cantidad bastante grande de parámetros, por lo que existen varios tipos estándar de sus clasificaciones, que se detallan a continuación.

1. Según la masa en reposo de la partícula (la masa en reposo, determinada en relación con la masa en reposo del electrón, que se considera la más ligera de todas las partículas que tienen masa):

fotones(φῶς, φωτός - luz) - partículas que no tienen masa en reposo y se mueven a la velocidad de la luz;

leptones(λεπτός - luz) - partículas de luz (electrón y diferentes tipos neutrino);

mesones(μέσος - medio, intermedio) - partículas medianas con una masa de uno a mil masas de electrones;

bariones(βαρύς - pesado) - partículas pesadas con una masa de más de mil masas de un electrón (protones, neutrones, hiperones, muchas resonancias).

2. Según la carga eléctrica, siempre un múltiplo de la unidad fundamental de carga, la carga del electrón (-1), que se considera como unidad de referencia para las cargas. La carga de la partícula puede ser negativa, positiva o cero. Como se mencionó anteriormente, los quarks se caracterizan por una carga eléctrica fraccionaria.

3. Según el tipo de interacción física (ver más abajo), en la que intervienen determinadas partículas elementales. Según este indicador, se pueden dividir en tres grupos:

· hadrones(ἁδρός - pesado, grande, fuerte), participando en interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles (mesones y bariones);

· leptones, participando solo en interacciones electromagnéticas y débiles;

· partículas - portadores de interacción (fotones- portadores de interacción electromagnética, gluones - portadores de la interacción fuerte, vector pesado bosones- portadores de interacción débil, hipotéticos gravitones - partículas que proporcionan interacción gravitatoria).

4. Según la vida útil de las partículas:

· "hígados largos" estables(fotón, neutrino, neutrón, protón, electrón; tiempo de vida - hasta el infinito);

· casi estable (resonancias); la vida útil es de 10 -24 -10 -26 s.; decaimiento como resultado de la interacción electromagnética y débil;

· inestable(la mayoría de las partículas elementales; su tiempo de vida es de 10 -10 - 10 -24 s).

5. En la parte posterior (del inglés. girar- huso, giro (sya)) - propio momento la cantidad de movimiento (momento) de la partícula, su grado interno de libertad, que proporciona un estado físico adicional. A diferencia del momento clásico del impulso, que puede tomar cualquier valor, el espín toma solo cinco valores posibles. Puede ser igual a un número entero (0, 1, 2) o medio entero (1/2 (electrón, protón, neutrón), 3/2 (omega-hiperon)). Las partículas con espín semientero se llaman fermiones, y con un entero - bosones(fotones con espín 1; mesones - 0; gravitones - 2).

Cada partícula tiene su propia antipartícula (materia y antimateria). Cuando se encuentran, se produce la destrucción mutua (aniquilación) y se libera una gran cantidad de energía.

Las regularidades encontradas en las propiedades de las partículas elementales y su división en "familias" o "generaciones" permitieron plantear la cuestión de la presencia de profundas regularidades internas que determinan sus propiedades (ver diagrama).

Hay teorías que explican la estructura del micromundo (por ejemplo, el Modelo Estándar). En los 1970s me parecio muy original teoria de las cuerdas(John Henry Schwartz, Schwartz, n. 1941; G. Veneziano, Gabriele Veneziano; n. 1942; M. Green, Michael Greene y otros). Teoria de las cuerdas- una rama de la física matemática que no estudia partículas puntuales, como muchas ramas de la física, sino unidimensional extendida objetos geométricos- cuántico instrumentos de cuerda. La teoría se basa en la hipótesis de que todas las partículas fundamentales y sus interacciones surgen como resultado de vibraciones (estados excitados) e interacciones de cuerdas cuánticas de energía ultramicroscópica en escalas del orden de los llamados. longitud de Planck 10 −33 m, al igual que la vibración de la cuerda de un instrumento musical genera sonidos de diferentes frecuencias. Además, el espacio y el tiempo se consideran derivados de ciertos modos de vibración de las cuerdas. El universo, que consiste en un número incontable de estas cuerdas vibrantes, es como una "sinfonía cósmica" que suena. A pesar de la resolución de una serie de Problemas existentes, la teoría de cuerdas sigue siendo en la actualidad principalmente una abstracción matemática que requiere confirmación experimental.

El descubrimiento de las partículas elementales fue un resultado natural del progreso general en el estudio de la estructura de la materia, logrado por la física a fines del siglo XIX.

Fue preparado por estudios exhaustivos de los espectros ópticos de los átomos, el estudio de los fenómenos eléctricos en líquidos y gases, el descubrimiento de la fotoelectricidad, los rayos X, la radiactividad natural, que atestiguaron la existencia de una estructura compleja de la materia.

Históricamente, la primera partícula elemental descubierta fue la portadora de electrones de la carga eléctrica elemental negativa en los átomos. En 1897, J. J. Thomson estableció que los rayos catódicos están formados por una corriente de diminutas partículas, a las que se denominó electrones.

En 1911, E. Rutherford, al pasar partículas alfa de una fuente radiactiva natural a través de láminas delgadas de varias sustancias, descubrió que la carga positiva en los átomos se concentra en formaciones compactas: núcleos, y en 1919 descubrió protones entre partículas eliminadas de atómica núcleos - partículas con una unidad de carga positiva y una masa 1840 veces la masa de un electrón. Otra partícula que forma parte del núcleo, el neutrón, fue descubierta en 1932 por J. Chadwick mientras estudiaba la interacción de las partículas a con el berilio. El neutrón tiene una masa cercana a la del protón, pero no tiene carga eléctrica. El descubrimiento del neutrón completó la identificación de las partículas, los elementos estructurales de los átomos y sus núcleos.

La conclusión sobre la existencia de una partícula de campo electromagnético, un fotón, se origina en el trabajo de M. Planck (1900). Asumiendo que la energía de la radiación electromagnética de un cuerpo absolutamente negro está cuantificada, Planck obtuvo la fórmula correcta para el espectro de radiación. Desarrollando la idea de Planck, A. Einstein (1905) postuló que la radiación electromagnética (luz) es en realidad una corriente de cuantos individuales (fotones), y sobre esta base explicó las leyes del efecto fotoeléctrico. R. Millikan (1912-1915) y A. Compton (1922) dieron pruebas experimentales directas de la existencia del fotón.

Desde los años 30 hasta principios de los 50. el estudio de las partículas elementales estaba estrechamente relacionado con el estudio de los rayos cósmicos. En 1932, en la composición de los rayos cósmicos, K. Anderson descubrió el positrón (e +), una partícula con la masa de un electrón, pero con una carga eléctrica positiva. El positrón fue la primera antipartícula descubierta. La existencia de e+ se deriva directamente de la teoría relativista del electrón desarrollada por P. Dirac (1928-31) poco antes del descubrimiento del positrón. En 1936, los físicos estadounidenses K. Anderson y S. Neddermeyer descubrieron muones (ambos signos de carga eléctrica) en el estudio de los rayos cósmicos, partículas con una masa de alrededor de 200 masas de electrones, pero por lo demás sorprendentemente similares en propiedades a e-, e + .

Desde principios de los años 50. Los aceleradores se han convertido en la principal herramienta para el estudio de las partículas elementales. en los años 70 las energías de las partículas dispersas en los aceleradores ascendían a decenas y cientos de miles de millones de electronvoltios (GeV). El deseo de aumentar las energías de las partículas se debe al hecho de que las altas energías abren la posibilidad de estudiar la estructura de la materia a distancias más cortas, mayor es la energía de las partículas que chocan. Los aceleradores aumentaron significativamente la tasa de obtención de nuevos datos y en poco tiempo ampliaron y enriquecieron nuestro conocimiento de las propiedades del micromundo. El uso de aceleradores para estudiar partículas extrañas permitió estudiar con más detalle sus propiedades, en particular las características de su descomposición, y pronto condujo a un importante descubrimiento: el esclarecimiento de la posibilidad de cambiar las características de algunos microprocesos durante la operación. del reflejo del espejo - violación de espacios, paridad (1956). La puesta en marcha de aceleradores de protones con energías de miles de millones de electronvoltios permitió descubrir antipartículas pesadas: antiprotones (1955), antineutrones (1956), antisigma hiperones (1960). En 1964, se descubrió el hiperón W- más pesado (con una masa de aproximadamente dos masas de protones). En los años 1960 en los aceleradores, se descubrió una gran cantidad de partículas extremadamente inestables (en comparación con otras partículas elementales inestables), que se denominaron "resonancias". Las masas de la mayoría de las resonancias superan la masa del protón. El primero de ellos D1 se conoce desde 1953. Resultó que las resonancias constituyen la parte principal de las partículas elementales.

En 1962 se descubrió que hay dos neutrinos diferentes: electrón y muón. En 1964, en las desintegraciones de los mesones K neutros, se descubrió la llamada no conservación. paridad combinada (introducida por Li Tsung-dao y Yang Chen-ning e independientemente por L.D. Landau en 1956), lo que significa la necesidad de revisar los puntos de vista habituales sobre el comportamiento de los procesos físicos durante la operación de la reflexión del tiempo.

Existencia partículas elementales científicos descubrieron en el estudio de los procesos nucleares, por lo tanto, hasta mediados del siglo XX, la física de partículas elementales era una sección física nuclear. En la actualidad, estas ramas de la física son cercanas, pero independientes, unidas por la similitud de muchos de los problemas en consideración y los métodos de investigación utilizados. La tarea principal de la física de partículas elementales es el estudio de la naturaleza, las propiedades y las transformaciones mutuas de las partículas elementales.

La noción de que el mundo está hecho de partículas fundamentales , Tiene larga historia. Por primera vez, la idea de la existencia de las partículas invisibles más pequeñas que componen todos los objetos circundantes fue expresada 400 años antes de nuestra era por el filósofo griego Demócrito. Llamó a estas partículas átomos, es decir, partículas indivisibles. La ciencia comenzó a utilizar el concepto de átomos solo a principios del siglo XIX, cuando fue posible explicar una serie de fenómenos químicos sobre esta base. En los años 30 del siglo XIX, en la teoría de la electrólisis desarrollada por M. Faraday, apareció el concepto de ion y se midió la carga elemental. finales del XIX siglo estuvo marcado por el descubrimiento del fenómeno de la radiactividad (1896, A. Becquerel), así como los descubrimientos de los electrones (1897, J. Thomson) y las partículas α (1899, E. Rutherford). En 1905, en física, surgió el concepto de cuantos de campo electromagnético - fotones (A. Einstein).

En 1911 se descubrió el núcleo atómico (E. Rutherford) y finalmente se demostró que los átomos tienen una estructura compleja. En 1919, Rutherford descubrió los protones en los productos de fisión de los núcleos de los átomos de varios elementos. En 1932, J. Chadwick descubrió el neutrón. Quedó claro que los núcleos de los átomos, como los propios átomos, tienen una estructura compleja. Surgió la teoría protón-neutrón de la estructura de los núcleos (D. D. Ivanenko y V. Heisenberg). En el mismo año, 1932, se descubrió el positrón en los rayos cósmicos (K. Anderson). Un positrón es una partícula cargada positivamente que tiene la misma masa y la misma carga (módulo) que un electrón. La existencia del positrón fue predicha por P. Dirac en 1928. Durante estos años, se descubrieron y estudiaron las transformaciones mutuas de protones y neutrones, y quedó claro que estas partículas tampoco son los mismos "ladrillos" elementales de la naturaleza. En 1937, se descubrieron partículas con una masa de 207 electrones en los rayos cósmicos, llamadas muones (μ mesones). Luego, en 1947-1950 se abrieron peonias (es decir. π mesones), que, según conceptos modernos, llevan a cabo la interacción entre nucleones en el núcleo. En los años siguientes, el número de partículas recién descubiertas comenzó a crecer rápidamente. Esto fue facilitado por el estudio de los rayos cósmicos, el desarrollo de la tecnología de aceleradores y el estudio de las reacciones nucleares.

Actualmente se conocen unas 400 partículas subnucleares, que comúnmente se denominan elementales. La gran mayoría de estas partículas son inestables. Las únicas excepciones son el fotón, el electrón, el protón y el neutrino. Todas las demás partículas experimentan a ciertos intervalos espontáneo transformación en otras partículas. Las partículas elementales inestables se diferencian mucho entre sí a lo largo de su vida. La partícula más longeva es el neutrón. El tiempo de vida de los neutrones es de unos 15 min. Otras partículas "viven" por un tiempo mucho más corto. Por ejemplo, el tiempo de vida promedio de un mesón μ es 2.2 10 -6 s, y el de un mesón π neutral es 0.87 10 -16 s. Muchas partículas masivas hiperones – tienen una vida media de unos 10-10 s.

Hay varias decenas de partículas con una vida útil superior a 10-17 s. En términos de la escala del microcosmos, este es un tiempo significativo. Tales partículas se llaman relativamente estable . Mayoria de corta duración las partículas elementales tienen tiempos de vida del orden de 10–22–10–23 s.

La capacidad de transformaciones mutuas es la propiedad más importante de todas las partículas elementales. Son capaces de nacer y destruirse (emitirse y absorberse). Esto también se aplica a las partículas estables, con la única diferencia de que las transformaciones de las partículas estables no ocurren espontáneamente, sino al interactuar con otras partículas. un ejemplo seria aniquilación (es decir. desaparición) de un electrón y un positrón, acompañado de la producción de fotones de alta energía. El proceso inverso también puede tener lugar. nacimiento par electrón-positrón, por ejemplo, cuando un fotón de energía suficientemente alta choca con un núcleo. Un gemelo tan peligroso como el positrón lo es para el electrón, también lo tiene el protón. Se llama antiprotón . La carga eléctrica del antiprotón es negativa. Actualmente antipartículas se encuentra en todas las partículas. Las antipartículas se oponen a las partículas porque cuando cualquier partícula se encuentra con su antipartícula, se aniquilan, es decir, ambas partículas desaparecen, convirtiéndose en cuantos de radiación u otras partículas.

Incluso el neutrón tiene una antipartícula. El neutrón y el antineutrón difieren solo en los signos del momento magnético y la llamada carga bariónica. ¿Es posible que existan los átomos? antimateria, cuyos núcleos están formados por antinucleones y cuyas capas están formadas por positrones. Durante la aniquilación de la antimateria con la materia, el resto de la energía se convierte en la energía de los cuantos de radiación. Esta es una energía enorme, mucho mayor que la liberada en las reacciones nucleares y termonucleares.

En la variedad de partículas elementales conocidas hasta el momento se encuentra un sistema de clasificación más o menos armonioso. En mesa. 6.9.1 presenta alguna información sobre las propiedades de las partículas elementales con un tiempo de vida de más de 10 -20 s. De las muchas propiedades que caracterizan a una partícula elemental, la tabla muestra solo la masa de la partícula (en masas de electrones), la carga eléctrica (en unidades de carga elemental) y el momento angular (el llamado girar ) en unidades de la constante de Planck ħ = h/ 2π. La tabla también muestra la vida media de las partículas.

Las partículas elementales se combinan en tres grupos: fotones , leptones Y hadrones .

al grupo fotones la única partícula es el fotón, que es el portador de la interacción electromagnética.

El siguiente grupo consiste en partículas ligeras: leptones. Este grupo incluye dos tipos de neutrinos (electrónicos y muones), electrones y μ-mesones. Los leptones también incluyen una serie de partículas que no figuran en la tabla. Todos los leptones tienen spin.

El tercer gran grupo consiste en partículas pesadas llamadas hadrones. Este grupo se divide en dos partes. Las partículas más ligeras forman un subgrupo mesones . Los más ligeros tienen carga positiva y negativa, así como mesones π neutros con masas del orden de 250 masas de electrones (Tabla 6.9.1). Los piones son cuantos del campo nuclear, al igual que los fotones son cuantos del campo electromagnético. Este subgrupo también incluye cuatro mesones K y un mesón η 0. Todos los mesones tienen espín igual a cero.

El segundo subgrupo bariones – incluye partículas más pesadas. Es el más extenso. Los bariones más ligeros son los nucleones: protones y neutrones. Les siguen los llamados hiperones. Cierra la tabla el hiperón omega menos, descubierto en 1964. Se trata de una partícula pesada con una masa de 3273 masas de electrones. Todos los bariones tienen espín

La abundancia de hadrones descubiertos y recién descubiertos llevó a los científicos a la idea de que todos están construidos a partir de otras partículas más fundamentales. En 1964, el físico estadounidense M. Gell-Man presentó una hipótesis, confirmada por estudios posteriores, de que todas las partículas pesadas, los hadrones, se construyen a partir de partículas más fundamentales llamadas quarks . Con base en la hipótesis de los quarks, no solo se entendió la estructura de los hadrones ya conocidos, sino que también se predijo la existencia de otros nuevos. La teoría de Gell-Mann supuso la existencia de tres quarks y tres antiquarks, que se combinan entre sí en varias combinaciones. Así, cada barión consta de tres quarks y un antibarion consta de tres antiquarks. Los mesones están formados por pares quark-antiquark.

Con la aceptación de la hipótesis de los quarks, fue posible crear un sistema coherente de partículas elementales. Sin embargo, las propiedades predichas de estas partículas hipotéticas resultaron bastante inesperadas. La carga eléctrica de los quarks debe expresarse números fraccionarios, carga igual y elemental.

Numerosas búsquedas de quarks en estado libre, realizadas en aceleradores de alta energía y en rayos cósmicos, resultaron infructuosas. Los científicos creen que una de las razones de la inobservabilidad de los quarks libres es, quizás, su gran masa. Esto evita la creación de quarks a las energías que se logran en los aceleradores modernos. Sin embargo, la mayoría de los expertos ahora confían en que los quarks existen dentro de partículas pesadas: los hadrones.