Повідомлення відкриття головних характеристик елементарних частинок. Відкриття елементарних частинок

Елементарною частинкою вважають первинну або нерозкладних частку, з якої складається вся матерія. Однак, в сучасній фізиці, термін «елементарна частинка» вживають для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії. У цю групу входять протони, нейтрони, електрони, фотони, пі-мезони, мюони, важкі лептони, нейтрино трьох типів, дивні частинки (К-мезони, гіперонів), різноманітні резонанси, «зачаровані» частинки, іпсилон-частинки, «красиві» частинки, проміжні бозони (W ±, Z 0). Всього більше 500 частинок. Частинки, які претендують на роль первинних елементів матерії, називають « істинно елементарними частинками» .

В історії науки, першої відкритої часткою був електрон- носій негативного електричного заряду. Електрон вперше був виявлений англійським фізиком Джозефом Томсоном,в 1897 р У 1919 році англійський фізик Ернест Резерфордвиявив протон- частку, що входить до складу атомних ядер з позитивним зарядом і масою, в 1840 разів перевищує масу електрона. Інша частинка, що входить до складу ядра - нейтрон, Була відкрита в 1932 р англійським фізиком Джеймсом Чедвиком. Подання про фотоні, як частинки, бере свій початок з роботи німецького фізика Макса планка,який висунув в 1900 р припущення про квантованности енергії електромагнітного випромінювання. У розвитку ідеї Планка, Ейнштейнв 1905 р встановив, що електромагнітне випромінюванняє потоком окремих квантів ( фотонів) І на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Прямі експериментальні докази існування фотона були здійснені американськими фізиками Робертом Міллікеном (1912р.) Та А. Комптоном(1922р.).

існування нейтриновперше припущено Вульфгангом Паулі(1930), а експериментально електронне нейтрино відкрито лише в 1962 р американськими фізиками Ф. Райнесом і К. Коуні. Першою відкритою античастинкою є позитронз масою електрона, але з позитивним електричним зарядом. Його виявив в складі космічних променів американський фізик К. Андерсон в 1953 р У 1946 р Андерсон і Неддермейер (США) виявили в складі космічних променів мюониз обома знаками електричного заряду (μ - і μ +). Мюони мають масу близько 200 мас електрона, а решта їх властивості близькі до електронів і позитронів. У 1947 р в складі космічних променів американські фізики під керівництвом С. Пауелла відкрили π - і π + - мезони. Існування подібних частинок було припущено японським фізиком Х. Юкавойв 1935 р На початку 50-х рр. була відкрита велика група часток з незвичайними властивостями, Які отримали назви « дивні ».Перші частинки цієї групи - К - і К + - мезони, Λ - гіперонів були виявлені в складі космічних променів. Наступні відкриття «дивних» частинок були зроблені за допомогою прискорювачів заряджених частинок. З початку 50-х рр. прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження ЕЧ. У 1955 р був відкритий антипротон, 1956 г. - антинейтрон, 1960 – антісігма гіперон, А в 1964 р - найважчий гіперон -. У 1960 р на прискорювачах були виявлені резонансні частки. Вони є нестабільними і дуже численними, тому складають основну частину ЕЧ.

У 1962 р вчені з'ясували, що існує два різних видів нейтрино: Електронне і мюонне. У 1974 р були виявлені масивні, і в той же час відносно стійкі « зачаровані»Частинки (Д 0, Д +, F + і т.д.). У 1975 р був відкритий важкий аналог електрона і мюона (τ - лептон), В 1981 р - « красиві»Частинки, а в 1983 р - проміжні бозони(W ± і Z 0).

Таким чином, встановили, що світ ЕЧ дуже складний і різноманітний. серед елементарних частинокнайбільше відомий і використовується електрон. Все почалося з того, що, пропускаючи струм через електроліт, Фарадей вимірював кількість що виділяються на електродах речовин, і прийшов до думки про те, що в природі існує найменший електричний заряд, рівний заряду іона водню.

Англійський фізик Дж. Стоні, придумав спеціальну назву для найменшого електричного заряду - « електрон». З середини XIX століття фізики почали експериментувати з електричними розрядами в особливих скляних трубках з упаяними в стінки електродами. Коли газ відкачували, при нагріванні катодів струм в ланцюзі не припинявся. Цей струм супроводжувався красивим і загадковим світінням. Ясно, що струм не може йти через порожнечу. Передача електрики від катода до анода, назвали катодними променями. Англійський фізик Джозеф Томсонвстановив природу катодних променів, експериментально показав, що катодні промені - це потік дрібних негативно заряджених частинок. Він, поміщаючи скляну трубку в магнітне поле, досліджував відхилення катодних променів від прямої лінії та виявив, що відношення заряду до маси (е / me) у електронів в тисячу разів більше, ніж у цього ж відносини для іонів водню (e / m н) встановленого раніше Фарадеем.

Томсон, сміливо, прийнявши гіпотезу про те, що електрони і іони водню несуть однаковий за величиною елементарний заряд, прийшов до висновку, про те, що електрони володіють мізерно малою масою в порівнянні з атомами. З'явилося сумнів в неподільності атома. Відкрита Анрі Беккерелем радіоактивність атомівв 1896 р остаточно похитнула твердження про неподільність атома. На початку XX століття Ернест Резерфорд довів, що з трьох видів променів -, β і γ, що випускаються радієм, β - промені, це ті ж самі електрони, які побачив Томсон.

Питання для самоконтролю

1. Що собою являють елементарні частинки?

2. Скільки елементарних частинок встановлено наукою?

3. Які частинки називають «істинно елементарними частинками»

4. Яка частка є перша відкрита частинка, в історії науки?

5. Хто і коли виявив електрон?

6. Хто і коли виявив протон?

7. Хто і коли виявив нейтрон?

8. Хто і коли виявив фотон?

9. Хто і коли припустив існування нейтрино?

10. У якому році, експериментально виявили нейтрино?

11. Хто і коли виявив першу античастицу позитрона?

12. Хто і коли припустив існування мезонів?

13. У яких роках, було виявлено велика група частинок, так званих «дивних»?

14. У якому році були виявлені «зачаровані» частинки?

15. У якому році були виявлені «красиві» частинки?

16. У якому році були виявлені частинки, так звані «проміжні бозони»?

17. Хто і коли відкрив радіоактивність атомів?

Вступ

1. Відкриття елементарних частинок

2. Теорії елементарних частинок

2.1. Квантова електродинаміка (КЕД)

2.2. теорія кварків

2.3. Теорія електрослабкої взаємодії

2.4. квантова хромодинамика

висновок

література

Вступ.

У середині та другій половині ХХ століття в тих розділах фізики, які зайняті вивченням фундаментальної структури матерії, були отримані воістину дивні результати. Перш за все це проявилося у відкритті чималої кількості нових субатомних частинок. Їх зазвичай називають елементарними частинками, але далеко не всі з них дійсно елементарні. Багато з них в свою чергу складаються з ще більш елементарних частинок.

Світ субатомних частинок воістину різноманітний. До них відносяться протони і нейтрони, що становлять атомні ядра, а також обертаються навколо ядер електрони. Але є і такі частинки, які в навколишньому нас речовині практично не зустрічаються. Час їх життя надзвичайно мало, воно становить найдрібніші частки секунди. Після закінчення цього надзвичайно короткого часу вони розпадаються на звичайні частинки. Таких нестабільних короткоживучих частинок вражаюче багато: їх відомо вже кілька сотень.

У 60-70-ті роки фізики були абсолютно збиті з пантелику численністю, різноманітністю і незвичністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Абсолютно незрозуміло, для чого стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними і випадковими осколками матерії? Або, можливо, вони таять в собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики в наступні десятиліття показало, що в існуванні такої структури немає ніяких сумнівів. В кінці ХХ ст. фізика починає розуміти, яке значення кожної з елементарних частинок.

Миру субатомних частинок притаманний глибокий і раціональний порядок. В основі цього порядку - фундаментальні фізичні взаємодії.

1. Відкриття елементарних частинок.

Відкриття елементарних часіц стало закономірним результатом загальних успіхів у вивченні будови речовини, досягнутих фізикою в кінці 19 ст. Воно було підготовлено всебічними дослідженнями оптичних спектрів атомів, вивченням електричних явищ в рідинах і газах, відкриттям Фотоелектрика, рентгенівських променів, природної радіоактивності, що свідчили про існування складної структури матерії.

Історично першою відкритою елементарною частинкою був електрон - носій негативного елементарного електричного заряду в атомах. У 1897 Дж. Дж. Томсон встановив, що т. Зв. катодні промені утворені потоком найдрібніших частинок, які були названі електронами. У 1911 Е. Резерфорд, пропускаючи альфа-частинки від природного радіоактивного джерела через тонкі фольги різних речовин, З'ясував, що позитивний заряд в атомах зосереджений в компактних утвореннях - ядрах, а в 1919 виявив серед частинок, вибитих з атомних ядер, протони - частки з одиничним позитивним зарядом і масою, в 1840 разів перевищує масу електрона. Інша частинка, що входить до складу ядра, - нейтрон - була відкрита в 1932 Дж. Чедвиком при дослідженнях взаємодії a-частинок з берилієм. Нейтрон має масу, близьку до маси протона, але не володіє електричним зарядом. Відкриттям нейтрона завершилося виявлення частинок - структурних елементіватомів і їх ядер.

Висновок про існування частинки електромагнітного поля- фотона - бере свій початок з роботи М. Планка (1900). Припустивши, що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантування, Планк отримав правильну формулу для спектра випромінювання. Розвиваючи ідею Планка, А. Ейнштейн (1905) постулював, що електромагнітне випромінювання (світло) в дійсності є потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Прямі експериментальні докази існування фотона були дані Р. Міллікеном (1912- 1915) і А. Комптоном (1922).

Відкриття нейтрино - частинки, майже не взаємодіє з речовиною, веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930), що дозволила за рахунок припущення про народження такої частинки усунути труднощі з законом збереження енергії в процесах бета-розпаду радіоактивних ядер. Експериментально існування нейтрино було підтверджено лише в 1953 (Ф. Райнес і К Коуен, США).

З 30-х і до початку 50-х рр. вивчення елементарних частинок було тісно пов'язане з дослідженням космічних променів. У 1932 в складі космічних променів К. Андерсоном був виявлений позитрон (е +) - частинка з масою електрона, але з позитивним електричним зарядом. Позитрон був першою відкритою античастинкою. Існування е + безпосередньо випливало з релятивістської теорії електрона, розвинутої П. Діраком (1928-31) незадовго до виявлення позитрона. У 1936 американські фізики К. Андерсон і С. Неддермейер виявили при дослідженні осміческіх променів мюони (обох знаків електричного заряду) - частинки з масою приблизно в 200 мас електрона, а в іншому дивно близькі за властивостями до е-, е +.

У 1947 також в космічних променях групою С. Пауелла були відкриті p + і p - мезони з масою в 274 електронні маси, які відіграють важливу роль у взаємодії протонів з нейтронами в ядрах. Існування подібних частинок було припущено Х. Юкавой в 1935.

Кінець 40-х - початок 50-х рр. ознаменувалися відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями, що одержали назву "дивних". Перші частинки цієї групи К + - і К - мезони, L-, S + -, S- -, X- -гиперона були відкриті в космічних променях, наступні відкриття дивних частинок були зроблені на прискорювачах - установках, що створюють інтенсивні потоки швидких протонів і електронів. При зіткненні з речовиною прискорені протони й електрони народжують нові елементарні частинки, які і стають предметом вивчення.

З початку 50-х рр. прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок. У 70-х рр. енергії частинок, розігнаних на прискорювачах, склали десятки і сотні млрд. електронвольт (Гев). Прагнення до збільшення енергій частинок обумовлено тим, що високі енергії відкривають можливість вивчення будови матерії на тим менших відстанях, чим вище енергія зіштовхуються частинок. Прискорювачі істотно збільшили темп отримання нових даних і в короткий термін розширили і збагатили наше знання властивостей мікросвіту. Застосування прискорювачів для вивчення дивних частинок дозволило більш детально вивчити їх властивості, зокрема особливості їх розпаду, і незабаром привело до важливого відкриття: з'ясуванню можливості зміни характеристик деяких мікропроцеси при операції дзеркального відображення - т. Зв. порушення просторів, парності (1956). Введення в дію протонних прискорювачів з енергіями в мільярди електронвольт дозволив відкрити важкі античастинки: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антісігма-гіперонів (1960). У 1964 був відкритий найважчий гіперонів W- (з масою близько двох мас протона). У 1960-х рр. на прискорювачах було відкрито велике числовкрай нестійких (у порівнянні з ін. нестабільними елементарними частинками) частинок, які отримали назву "резонансів". Маси більшості резонансів перевищують масу протона. Перший з них D1 (одна тисячі двісті тридцять дві) був відомий з 1953. Виявилося, що резонанси складають основна частина елементарних частинок.

У 1962 було з'ясовано, що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне. У 1964 у розпаді нейтральних К-мезонів було виявлено незбереження т. Н. комбінованої парності (введеної Лі Цзун-дао і Ян Чжень-Ніномія і незалежно Л. Д. Ландау в 1956), що означає необхідність перегляду звичних поглядів на поведінку фізичних процесів при операції відображення часу.

У 1974 були виявлені масивні (в 3-4 протонні маси) і в той же час відносно стійкі y-частинки, з часом життя, незвично великим для резонансів. Вони виявилися тісно пов'язаними з новим сімейством елементарних частинок - "зачарованих", перші представники якого (D0, D +, Lс) були відкриті в 1976. У 1975 було отримано перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюона (важкого лептона t). У 1977 були відкриті Ў-частинки з масою порядку десятка протонних мас.

Таким чином, за роки, що минули після відкриття електрона, було виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії. Світ елементарних частинок виявився досить складно влаштованих. Несподіваними у багатьох відношеннях виявилися властивості виявлених елементарних частинок. Для їх опису, крім характеристик, запозичених з класичної фізики, таких, як електричний заряд, маса, момент кількості руху, треба було ввести багато нових спеціальних характеристик, зокрема для опису дивних елементарних частинок - дивина (К. Нішіджіма, М. Гелл-Ман , 1953), "зачарованих" елементарних частинок - "чарівність" (американські фізики Дж. Бьyoркен, Ш. Глешоу, 1964); вже назви приведених характеристик відображають незвичайність описуваних ними властивостей елементарних частинок.

вивчення внутрішньої будовиматерії і властивостей елементарних частинок з перших своїх кроків супроводжувалося радикальним переглядом багатьох усталених понять і уявлень. Закономірності, що керують поведінкою матерії в малому, виявилися настільки відмінними від закономірностей класичної механікиі електродинаміки, що зажадали для свого опису абсолютно нових теоретичних побудов.

І шуканими величинами. Послідовність дій, які треба виконати, щоб від вихідних даних перейти до шуканим величинам, називають алгоритмом. 2. Історичний розвиток моделей елементарних частинок 2.1 Три етапи в розвитку фізики елементарних частинок Етап перший. Від електрона до позитрона: 1897-1932гг (Елементарні частинки - "атоми Демокрита" на більш глибокому рівні) Коли грецький ...

Обмеженого числа явищ: механіка Ньютона, або далеко не оптимальним або досконалим творінням техніки: лайнер "Титанік", літаки Ту-144, "Конкорд", Чорнобильська АЕС, космічні кораблісерії "Шаттл" і багато-багато іншого. 3. Розвиток системного підходув науці 3.1 Ранні спроби систематизації фізичних знань Першої дійсно успішною спробою систематизації знань про ...

III Мікросвіт

Рух і фізична взаємодія.

Основоположні принципи сучасної фізики і квантової механіки: принцип симетрії, принцип додатковості і співвідношення невизначеностей, принцип суперпозиції, принцип відповідності. «Апофатизм» в описі структури та механіки мікросвіту.

Богословське осмислення тенденцій до побудови «Теорії Всього».

Література для вивчення:

1. Барбур І.Релігія і наука: історія і сучасність. - М .: Біблійно-Богословський інститут св. ап. Андрія, 2001. - C. 199-216; 230-238; 253-256. (Електронний ресурс: http://www.mpda.ru/publ/text/59427.html)

2. Горєлов А.А.концепції сучасного природознавства. - М .: Вища освіта, 2006. - C. 110-120.

3. Грін Б.Елегантна всесвіт. Суперструн, приховані розмірності і пошуки остаточної теорії: Пер. з англ. - М .: КомКнига, 2007.

4. Грін Б.Тканина космосу: Простір, час і текстура реальності: Пер. з англ. - М .: URSS 2009.

5. Осипов А.І.Шлях розуму в пошуках істини. - СПб .: Сатіс, 2007. - С. 100-110.

6. Садохин А.П.Концепції сучасного природознавства: курс лекцій. - М .: Омега-Л, 2006. - С. 64-78.

7. Фейнман Р., Характер фізичних законів. - М .: Наука, 1987. (Електронний ресурс: http://vivovoco.rsl.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN/CONT.HTM)

Історія відкриття елементарних частинок: атоми, адрони, кварки, струни.

Згідно давньогрецьким філософам Левкіппа (Λεύκιππος, V століття до н. Х.) і Демокриту (Δημόκριτος; ок. 460 до н. Е. - бл. 370 до р. Х.) - основоположників атомізму, в основі світу лежать атоми- найдрібніші неподільні частки, які зчіплюються і утворюють все живе і неживе.

До XVIII ст. стало зрозуміло, що атом є елементарною хімічно неподільноїчасткою, в той час як молекула, - елементарна частинка речовини, яка зберігає його властивості, - складається з певних «сортів» атомів. Атоми одного виду отримали назви елементів. У 1869 р Дмитро Іванович Менделєєв створив свою періодичну систему, Що включає 64 елемента (на жовтень 2009 року відомо 117 хімічних елементівз порядковими номерами з 1 по 116 і 118, з них 94 виявлені в природі (деякі - лише в невеликій кількості), решта 23 отримані штучно в результаті ядерних реакцій).

Однак уже в 1910-х рр. фізики приходять до висновку про подільність атома (ἄτομος - неподільний!). Створюються ряд моделей атома, з яких визнання завоювала «планетарна» модель атома з внесеними поправками-постулатами (Е. Резерфорд, Ernest Rutherford; 1871 - 1937 Н. Бор, Niels Bohr; 1885 - 1962).

Планетарна модель атома дуже скоро була визнана непридатною через принципову протиріччя з фактом лінійного характеру спектра випромінювання: електрон, що обертається навколо позитивно зарядженого ядра, безперервно випромінює, тобто, втрачає енергію і скоро неминуче повинен «падати» на ядро. Положення виправили постулати Бора, в яких електрон не міг безперервно втрачати енергію, випромінювання відбувається в результаті стрибкоподібного переходу на нижележащую орбіту. створення квантової теоріїатома в 20-х роках показало, що від постулатів Бора необхідно відмовитися. Подання про ядро атома в той же час залишалося все таким же, як після дослідів Резерфорда по розсіюванню альфа-частинок на початку ХХ ст .: ядро складається з протонів і деякого, меншого числаелектронів. Нейтрон був відкритий англійським фізиком Дж. Чедвиком (James Chadwick; 1891 - 1974) в 1932 році. Тут настав наступний акт драми. Вважалося, що електрон, який вилітає з ядра при бета-розпаді, - це один з електронів, які перебували в ядрі. Але тепер уже було відомо, що ядро складається з протонів і нейтронів. Звідки ж береться електрон? Видатний італійський фізик Е. Фермі (Enrico Fermi; 1901 - 1954) висунув парадоксальну гіпотезу. Електронів в ядрі немає, при розпаді відбувається народження електрона, а нейтрон перетворюється в протон. Таке вирішення питання здавалося настільки неприйнятним, що солідний журнал Nature відмовився опублікувати статтю Фермі на цю тему. Це перший прецедент народження частинки з енергії. Ланцюжок дивних думках не це не обірвалася. Японський фізик-теоретик Хідекі Юкава (1907 - 1981) побудував просту фізичну модель, в якій в результаті обміну нуклонів часткою з ненульовий масою виникає сила, що утримує нуклони в ядрі. Юкава також розрахував масу цієї «віртуальної» частинки. Однак за поняттями фізиків того часу частку можна визнати існуючої, якщо вона виявлена також у вільному стані. Були зроблені пошуки частки Юкави в космічних променях, і, здавалося б, частка була знайдена. Однак знайдена частка мала меншу масу, ніж частка Юкави. Крім того, з'явилися дані, що знайдена частка подібна електрону, але важче. Надалі частка була названа мю-мезонів (грец. Μέσος - середній). Пошуки тривали, і в сорокових роках була знайдена інша повністю відповідна частка (її назвали пі-мезонів). У 1948 році Юкава отримав Нобелівську премію.

Таким чином, фізики усвідомили можливість існування частинок в віртуальному стані, тобто, при розщепленні ядра частка не виявляється, але реально забезпечує взаємне притягання нуклонів в ядрі. Виявилося, що неподільні не тільки атоми, але і «цеглинки», що складають їх ядра, - протони і нейтрони.

У 1960-х рр. було доведено, що і ці частинки складаються з ще більш дрібних частинок з дробовим позитивним або негативним зарядом ( 1 /3 еабо 2/3 е) - кварків. Гіпотеза про те, що «елементарні» частки побудовані зі специфічних субодиниць, була вперше висунута американськими фізиками М. Гелл-Манном (Murray Gell-Mann; рід. В 1929 р) і Дж. Цвейг (рід. В 1937 р) в 1964 році. У період з 1969 по 1994 рр. вдалося експериментально довести, принаймні побічно, можливість існування кварків.

Слово «кварк» було запозичене Гелл-Манном з художнього романуДж. Джойса «Поминки по Финнегану», де в одному з епізодів звучить фраза «Three quarks for Muster Mark!» (Зазвичай перекладається як «Три кварка для м. Марка!»). Саме слово «quark» в цій фразі імовірно є звуконаслідуванням крику морських птахів або означає німецькою сленгу щось в роді «нісенітниця».

Кварки не існує автономно, «самі по собі», а тільки в системі - «елементарної» частці (протон, нейтрон і т. Д.), І описуються такими специфічними параметрами як «аромат» (6 видів, див. Схему) і « колір »(« червоний, «синій», «зелений», «антікрасний», «антісіній», «антизелена»). Сумарний заряд 2-х або 3-х кварків, об'єднаних в систему повинен бути цілочисельним (0 або 1). Сума квітів також дорівнює «нулю» (білий).

Кварки «зчіплюються» між собою завдяки сильному фізичному взаємодії. Висловлено припущення, що кварки беруть участь також в електромагнітних і слабких взаємодіях. Причому в першому випадку кварки не змінюють свій колір і аромат, а в другому - змінюють аромат, зберігаючи колір.

Всього ж протягом ХХ століття було виявлено близько 400 елементарних частинок. Одні з них, як було сказано вище, мають певну структуру (протон, нейтрон), інші є безструктурними (електрон, нейтрино, фотон, кварк).

Елементарні частинки мають досить великою кількістю параметрів, тому існує кілька стандартних типів їх класифікацій, що наводяться нижче.

1. За масі спокою частинки (маса спокою, яка визначається по відношенню до маси спокою електрона, що вважається найлегшою з усіх частинок, що мають масу):

фотони(Φῶς, φωτός - світло) - частинки, що не мають маси спокою і рухаються зі швидкістю світла;

лептони(Λεπτός - легкий) - легкі частинки (електрон і різні видинейтрино);

мезони(Μέσος - середній, проміжний) - середні частки з масою від однієї до тисячі мас електрона;

баріони(Βαρύς - важкий) - важкі частинки з масою понад тисячу мас електрона (протони, нейтрони, гіперонів, багато резонанси).

2. За електричномузаряду, завжди кратному фундаментальної одиниці заряду - заряду електрона (-1), який розглядається в якості одиниці відліку зарядів. Заряд частинок може бути негативним, позитивним або нульовим. Як було сказано вище, для кварків характерний дрібний електричним заряд.

3. За типом фізичної взаємодії (див. Нижче), в якому беруть участь ті чи інші елементарні частинки. За даним показником їх можна розділити на три групи:

· адрони(Ἁδρός - важкий, великий, сильний), які беруть участь в електромагнітному, сильному і слабкому взаємодіях (мезони і баріони);

· лептони,беруть участь тільки в електромагнітному і слабкому взаємодіях;

· частинки - переносники взаємодій (фотони- переносники електромагнітної взаємодії, глюони -переносники сильної взаємодії, важкі векторні бозони- переносники слабкої взаємодії, гіпотетичні Гравітон -частинки, що забезпечують гравітаційна взаємодія).

4. За часом життя частинок:

· стабільні «довгожителі»(Фотон, нейтрино, нейтрон, протон, електрон, час життя -до нескінченності);

· квазістабільні (резонанси); час існування становить 10 -24 -10 -26 с .; розпадаються в результаті електромагнітного і слабкої взаємодії;

· нестабільні(Більшість елементарних частинок; час їх життя - 10 -10 - 10 -24 с).

5. За спину (від англ. spin- веретено, вертіти (ся)) - власним моментукількості руху (імпульсу) частки, її внутрішньої ступеня свободи, що забезпечує додаткове фізичний стан. На відміну від класичного моменту кількості руху, який може приймати будь-які значення, спін приймає тільки п'ять можливих значень. Він може дорівнювати цілому (0, 1, 2) або напівцілому (1/2 (електрон, протон, нейтрон), 3/2 (омега-гіперон)) числу. Частинки з напівцілим спіном називаються фермионами, А з цілим - бозонами(Фотони зі спіном 1; мезони - 0; Гравітон - 2).

Кожна частка має свою античастицу (речовина і антиречовину). При їх зустрічі відбувається взаємне знищення (анігіляція) і виділяється велика кількість енергії.

Знайдені закономірності у властивостях елементарних частинок і підрозділ їх на «сімейства» або «покоління» дозволили поставити питання про наявність внутрішніх глибинних закономірностях, що визначають їх властивості (див. Схему).

Існують теорії, що пояснюють структуру мікросвіту (наприклад, Стандартна модель). У 1970-х рр. з'явилася вельми оригінальна теорія струн(Джон Хенрі Шварц, Schwartz, р. 1941; Г. Венеціано, Gabriele Veneziano; рід. 1942; М. Грін, Michael Greene, і ін.). Теорія струн- напрямок математичної фізики, вивчає не точкові частинки, як багато розділів фізики, а одномірні протяжні геометричні об'єкти- квантові струни. Теорія заснована на гіпотезі, яка передбачає, що всі фундаментальні частинки і їх взаємодії виникають в результаті коливань (збуджених станів) і взаємодій ультрамікроскопічних енергетичних квантових струн на масштабах порядку т.зв. планковской довжини 10 -33 м, подібно до того, як звуки різної частоти породжуються вібрацією струни музичного інструменту. Більш того, сам простір і час розглядаються як похідні певних модусів коливань струн. Всесвіт, що складається з незліченної кількості цих хто вагається струн, подібна звучить «космічної симфонії». Незважаючи на дозвіл цілого ряду існуючих проблем, Теорія струн залишається в даний час в основному математичною абстракцією, що вимагає експериментального підтвердження.

Відкриття елементарних частинок стало закономірним результатом загальних успіхів у вивченні будови речовини, досягнутих фізикою в кінці 19 ст.

Воно було підготовлено всебічними дослідженнями оптичних спектрів атомів, вивченням електричних явищ в рідинах і газах, відкриттям Фотоелектрика, рентгенівських променів, природної радіоактивності, що свідчили про існування складної структури матерії.

Історично першою відкритою елементарною частинкою був електрон-носій негативного елементарного електричного заряду в атомах. У 1897 році Дж. Дж. Томсон встановив, що катодні промені утворені потоком найдрібніших частинок, які були названі електронами.

У 1911 році Е. Резерфорд, пропускаючи альфа-частинки від природного радіоактивного джерела через тонкі фольги різних речовин, з'ясував, що позитивний заряд в атомах зосереджений в компактних утвореннях - ядрах, а в 1919 році виявив серед частинок, вибитих з атомних ядер, протони - частинки з одиничним позитивним зарядом і масою, в 1840 разів перевищує масу електрона. Інша частинка, що входить до складу ядра, - нейтрон - була відкрита в 1932 році Дж. Чедвиком при дослідженнях взаємодії a-частинок з берилієм. Нейтрон має масу, близьку до маси протона, але не володіє електричним зарядом. Відкриттям нейтрона завершилося виявлення частинок - структурних елементів атомів і їх ядер.

Висновок про існування частинки електромагнітного поля - фотона - бере свій початок з роботи М. Планка (1900 рік). Припустивши, що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантування, Планк отримав правильну формулу для спектра випромінювання. Розвиваючи ідею Планка, А. Ейнштейн (1905 рік) постулював, що електромагнітне випромінювання (світло) в дійсності є потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Прямі експериментальні докази існування фотона були дані Р. Міллікеном (1912-1915 рр.) І А. Комптоном (1922 рік).

З 30-х і до початку 50-х рр. вивчення елементарних частинок було тісно пов'язане з дослідженням космічних променів. У 1932 році в складі космічних променів К. Андерсоном був виявлений позитрон (е +) - частинка з масою електрона, але з позитивним електричним зарядом. Позитрон був першою відкритою античастинкою. Існування е + безпосередньо випливало з релятивістської теорії електрона, розвинутої П. Діраком (1928-31) незадовго до виявлення позитрона. У 1936 році американські фізики К. Андерсон і С. Неддермейер виявили при дослідженні космічних променів мюони (обох знаків електричного заряду) - частинки з масою приблизно в 200 мас електрона, а в іншому дивно близькі за властивостями до е-, е +.

У 1947 році також в космічних променях групою С. Пауелла були відкриті p + і p - мезони з масою в 274 електронні маси, які відіграють важливу роль у взаємодії протонів з нейтронами в ядрах. Існування подібних частинок було припущено Х. Юкавой в 1935.

З початку 50-х рр. прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок. У 70-х рр. енергії частинок, розігнаних на прискорювачах, склали десятки і сотні млрд. електронвольт (Гев). Прагнення до збільшення енергій частинок обумовлено тим, що високі енергії відкривають можливість вивчення будови матерії на тим менших відстанях, чим вище енергія зіштовхуються частинок. Прискорювачі істотно збільшили темп отримання нових даних і в короткий термін розширили і збагатили наше знання властивостей мікросвіту. Застосування прискорювачів для вивчення дивних частинок дозволило більш детально вивчити їх властивості, зокрема особливості їх розпаду, і незабаром привело до важливого відкриття: з'ясуванню можливості зміни характеристик деяких мікропроцеси при операції дзеркального відображення - порушення просторів, парності (1956 рік). Введення в дію протонних прискорювачів з енергіями в мільярди електронвольт дозволив відкрити важкі античастинки: антипротон (1955 рік), антинейтрон (1956 рік), антісігма-гіперонів (1960 рік). У 1964 році був відкритий найважчий гіперонів W- (з масою близько двох мас протона). У 1960-х рр. на прискорювачах було відкрито велику кількість вкрай нестійких (у порівнянні з ін. нестабільними елементарними частинками) частинок, які отримали назву "резонансів". Маси більшості резонансів перевищують масу протона. Перший з них D1 був відомий з 1953 року. Виявилося, що резонанси складають основна частина елементарних частинок.

У 1962 році було з'ясовано, що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне. У 1964 році в розпаді нейтральних К-мезонів було виявлено незбереження т. Н. комбінованої парності (введеної Лі Цзун-дао і Ян Чжень-Ніномія і незалежно Л. Д. Ландау в 1956), що означає необхідність перегляду звичних поглядів на поведінку фізичних процесів при операції відображення часу.

У 1974 році були виявлені масивні (в 3-4 протонні маси) і в той же час відносно стійкі y-частинки, з часом життя, незвично великим для резонансів. Вони виявилися тісно пов'язаними з новим сімейством елементарних частинок - "зачарованих", перші представники якого (D0, D +, Lс) були відкриті в 1976. У 1975 році були отримані перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюона (важкого лептона t). У 1977 році були відкриті Ў-частинки з масою порядку десятка протонних мас.

існування елементарних частинок вчені виявили при дослідженні ядерних процесів, тому аж до середини XX століття фізика елементарних частинок була розділом ядерної фізики. В даний час ці розділи фізики є близькими, але самостійними, об'єднаними спільністю багатьох розглянутих проблем і застосовуваними методами дослідження. Головне завдання фізики елементарних частинок - це дослідження природи, властивостей і взаємних перетворень елементарних частинок.

Уявлення про те, що світ складається з фундаментальних частинок , має довгу історію. Вперше думка про існування дрібних невидимих частинок, з яких складаються всі навколишні предмети, була висловлена за 400 років до нашої ери грецьким філософом Демокрітом. Він назвав ці частинки атомами, т. Е. Неподільними частинками. Наука почала використовувати уявлення про атомах тільки на початку XIX століття, коли на цій основі вдалося пояснити цілий ряд хімічних явищ. У 30-ті роки XIX століття в теорії електролізу, розвиненою М. Фарадеєм, з'явилося поняття іона і було виконано вимір елементарного заряду. кінець XIXстоліття ознаменувався відкриттям явища радіоактивності (1896 р А. Беккерель), а також відкриттями електронів (1897 р Дж. Томсон) і α-частинок (1899 р Е. Резерфорд). У 1905 році у фізиці виникло уявлення про кванти електромагнітного поля - фотони (А. Ейнштейн).

У 1911 році було відкрито атомне ядро (Е. Резерфорд) і остаточно було доведено, що атоми мають складну будову. У 1919 році Резерфорд в продуктах розщеплення ядер атомів ряду елементів виявив протони. У 1932 році Дж. Чедвік відкрив нейтрон. Стало ясно, що ядра атомів, як і самі атоми, мають складну будову. Виникла протон-нейтронна теорія будови ядер (Д. Д. Іваненко і В. Гейзенберг). У тому ж 1932 році в космічних променях був відкритий позитрон (К. Андерсон). Позитрон - позитивно заряджена частинка, що має ту ж масу і той же (по модулю) заряд, що і електрон. Існування позитрона було передвіщено П. Дираком в 1928 році. У ці роки були виявлені і досліджені взаємні перетворення протонів і нейтронів і стало ясно, що ці частинки також не є незмінними елементарними «цеглинками» природи. У 1937 році в космічних променях були виявлені частинки з масою в 207 електронних мас, названі мюонами (μ-мезонами). Потім в 1947-1950 роках були відкриті півонії (Т. Е. π-мезони), Які, за сучасними уявленнями, здійснюють взаємодію між нуклонами в ядрі. У наступні роки число нововідкритих частинок стало швидко рости. Цьому сприяли дослідження космічних променів, розвиток прискорювальної техніки і вивчення ядерних реакцій.

В даний час відомо близько 400 суб'ядерних частинок, які прийнято називати елементарними. Переважна більшість цих частинок є нестабільними. Виняток становлять лише фотон, електрон, протон і нейтрино. Всі інші частинки через певні проміжки часу відчувають мимовільніперетворення в інші частинки. Нестабільні елементарні частинки сильно відрізняються один від одного за часами життя. Найбільш долгоживущей часткою є нейтрон. Час життя нейтрона близько 15 хв. Інші частки «живуть» набагато менший час. Наприклад, середній час життя μ-мезона одно 2,2 · 10 -6 с, нейтрального π-мезона - 0,87 · 10 -16 с. Багато масивні частинки - гіперони - мають середній час життя близько 10 -10 с.

Існує кілька десятків часток з часом життя, що перевершує 10 -17 с. За масштабами мікросвіту це значний час. Такі частинки називають відносно стабільними . більшість короткоживучихелементарних частинок мають часи життя близько 10 -22 -10 -23 с.

Здатність до взаємних перетворень - це найбільш важлива властивість всіх елементарних частинок. Вони здатні народжуватися і знищуватися (випускати і поглинатися). Це відноситься також і до стабільних частинок з тією тільки різницею, що перетворення стабільних часток відбуваються не спонтанно, а при взаємодії з іншими частинками. Прикладом може служити анігіляція (Т. Е. зникнення) Електрона і позитрона, що супроводжується народженням фотонів великої енергії. Може протікати і зворотний процес - народження електронно-позитронної пари, наприклад, при зіткненні фотона досить великий енергії з ядром. Такий небезпечний двійник, яким для електрона є позитрон, є і у протона. Він називається антипротонів . Електричний заряд антипротона негативний. В даний час античастинки знайдені у всіх частинок. Античастинки протиставляються часткам тому, що при зустрічі будь-якої частинки зі своєю античастинкою відбувається їх анігіляція, т. Е. Обидві частки зникають, перетворюючись в кванти випромінювання або інші частинки.

Античастинка виявлена навіть у нейтрона. Нейтрон і антинейтрон відрізняються тільки знаками магнітного моменту і так званого баріонів заряду. Можливо існування атомів антиречовини, Ядра яких складаються з антінуклонов, а оболонка - з позитронів. При анігіляції антиречовини з речовиною енергія спокою перетворюється в енергію квантів випромінювання. Це величезна енергія, значно перевершує ту, яка виділяється при ядерних і термоядерних реакціях.

У різноманітті елементарних частинок, відомих до теперішнього часу, виявляється більш-менш струнка система класифікації. У табл. 6.9.1 представлені деякі відомості про властивості елементарних частинок з часом життя більше 10 -20 с. З багатьох властивостей, які характеризують елементарну частинку, в таблиці вказані тільки маса частинки (в електронних масах), електричний заряд (в одиницях елементарного заряду) і момент імпульсу (так званий спин ) В одиницях постійної Планка ħ = h/ 2π. У таблиці зазначено також середній час життя частинки.

Елементарні частинки об'єднуються в три групи: фотони , лептони і адрони .

До групи фотоніввідноситься єдина частинка - фотон, яка є носієм електромагнітної взаємодії.

Наступна група складається з легких частинок - лептонов. У цю групу входять два сорти нейтрино (електронне та мюонне), електрон і μ-мезон. До лептонам відносяться ще ряд частинок, не зазначених в таблиці. Всі лептони мають спін

Третю велику групу складають тяжкі частки, звані адронами. Ця група ділиться на дві частини. Більш легкі частинки складають підгрупу мезонів . Найбільш легкі з них - позитивно і негативно заряджені, а також нейтральні π-мезони з масами близько 250 електронних мас (табл. 6.9.1). Півонії є квантами ядерної поля, подібно до того, як фотони є квантами електромагнітного поля. У цю підгрупу входять також чотири K-мезона і один η 0 мезон. Все мезони мають спін, рівний нулю.

Друга підгрупа - баріони - включає більш важкі частинки. Вона є найбільш великою. Найлегшими з баріонів є нуклони - протони і нейтрони. За ними слідують так звані гіперонів. Замикає таблицю омега-мінус-гіперон, відкритий в 1964 р Це важка частинка з масою в 3273 електронних мас. Все баріони мають спин

Велика кількість відкритих і знову відкриваються адронів навела вчених на думку, що всі вони побудовані з якихось інших більш фундаментальних частинок. У 1964 р американським фізиком М. Гелл-Маном була висунута гіпотеза, підтверджена наступними дослідженнями, що всі важкі частинки - адрони - побудовані з більш фундаментальних частинок, названих кварками . На основі кваркової гіпотези не тільки була зрозуміла структура вже відомих адронів, а й передбачене існування нових. Теорія Гелл-Мана припускала існування трьох кварків і трьох антикварків, що з'єднуються між собою в різних комбінаціях. Так, кожен баріон складається з трьох кварків, антібаріонов - з трьох антикварків. Мезони складаються з пар кварк-антікварк.

З прийняттям гіпотези кварків вдалося створити струнку систему елементарних частинок. Однак передбачені властивості цих гіпотетичних частинок виявилися досить несподіваними. Електричний заряд кварків повинен виражатися дробовими числами, Рівними і елементарного заряду.

Численні пошуки кварків у вільному стані, що вироблялися на прискорювачах високих енергій і в космічних променях, виявилися безуспішними. Вчені вважають, що однією з причин ненаблюдаемости вільних кварків є, можливо, їх дуже великі маси. Це перешкоджає народженню кварків при тих енергіях, які досягаються на сучасних прискорювачах. Проте, більшість фахівців зараз впевнені в тому, що кварки існують всередині важких частинок - адронів.