Элементарные частицы (чем характеризуются)

Элементарные частицы это протон, нейтрон, электрон и позитрон. Название это является в значительной мере условным.

Физика всегда стремилась найти те простейшие «элементарные» частицы, из которых строится вещество. Во времена М. В. Ломоносова такими частицами считались молекулы и атомы.

Затем было установлено строение атома из ядра и электронов; одно время считалось, что ядра различных элементов состоят из одинаковых частиц—протонов, представляющих собой ядро атома водорода.

В начале того столетия протон и электрон считались элементарными частицами.

Что такое Элементарные частицы

Дальнейшее развитие ядерной физики и, в частности, открытие нейтрона и позитрона вскоре увеличило число элементарных частиц до 4, а вместе с фотоном, который также был отнесен к элементарным частицам, до 5. 

Некоторый период времени считалось, что эти частицы соответствуют понятиям элементарных. Однако в последующие годы были открыты еще новые частицы (нейтрино, мезоны и др.), а также установлена возможность взаимного превращения частиц, считавшихся до тех пор элементарными.

Все это показывало на относительность «элементарности» этих частиц, и если это название сохраняется за ними, то понимается оно уже условно, в смысле частиц, о внутренней структуре которых в современной науке не имеется определенных представлений.

Чем характеризуются элементарные частицы

Элементарные частицы обычно характеризуют следующими данными:

1. Массой,
2. Электрическим зарядом (если он имеется),
3. Средней продолжительностью жизни,
4. Энергией и импульсом (количеством движения), 
5. Спином и связанным с ним магнитным моментом
6. Схемой распада.

Масса элементарных частиц измеряется в единицах, равных массе электрона, заряд — в элементарных зарядах (заряд электрона). Средней продолжительностью жизни называют время, за которое количество частиц уменьшается в 1/е = 1/2,7 сравнению с исходными.

В настоящее время известно около 30 видов элементарных частиц, полученных большей частью экспериментально.

Имеется также несколько видов частиц, предсказанных теоретически, но еще не обнаруженных в опыте. Значительная часть этих частиц неустойчива: через миллионные доли секунды они превращаются в другие более устойчивые частицы или в фотоны.

За немногим исключением каждой элементарной частице соответствует античастица. 

Античастицами называются равные по массе частицы, у которых какая-либо одна из других основных характеристик (например, электрический заряд или спин) равна по величине, но противоположна по знаку.

Отличительным свойством пары частицы — античастица является способность их при соударении, взаимодействуя, аннигилировать, т. е. превращаться в другие элементарные частицы или фотоны.

К элементарным частицам относятся

К элементарным частицам в первую очередь относится квант электромагнитного излучения — фотон.

Фотон имеет как волновые, проявляющиеся в основном при низких частотах, так и корпускулярные (при высоких частотах) свойства.

Фотон не имеет массы покоя, но он имеет массу μ_Ф движения, устанавливаемую в зависимости от его энергии Е_ф по соотношению Эйнштейна:

μ_Ф = Е_ф/с² = hv/c²

В соответствии с закономерностями взаимодействия фотона (как целого) с веществом ему приписывается импульс р_ф = hv/c.

Остальные элементарные частицы в зависимости от массы покоя делятся на три класса: легкие (лептоны), средние (мезоны) и тяжелые (барионы).

Легкие частицы

К легким частицам относятся прежде всего нейтрино и антинейтрино, которые принимают участие в радиоактивном бета-распаде. Это устойчивые нейтральные частицы, масса которых, примерно, в 2000 раз меньше массы электрона, отличающиеся между собой знаком спина.

В связи с отсутствием заряда и крайне малой массой эти частицы обладают высокой проникающей способностью, что затрудняет их обнаружение. Существование нейтрино было предсказано В. Паули в 1931 г., обнаружено оно было в 1956 г.

В Паули основывался на том, что энергия при бета-распаде каждого ядра данного вещества должна быть одинаковой.

В то же время энергия электронов (или позитронов), выбрасываемых при этом из ядер, имеет различную величину.

Для согласования этих двух фактов он предположил, что при бета-распаде, кроме электронов (или позитронов), должны выбрасываться еще частицы, ничтожные по массе, но со значительной энергией.

Эта энергия и дополняет энергию электронов (или позитронов) до некоторой величины, характерной для данного акта распада.

При этом энергия распада делится между электроном (или позитроном) и этой частицей в произвольном отношении.

Частица, испускаемая вместе с позитроном при превращении протона в трон, была названа нейтрино (v). Частица, испускаемая вместе с электроном при превращении нейтрона в протон, называется антинейтрино.

К легким частицам относятся электрон и позитрон, представляющие собой античастицы, имеющие одинаковые по величине массы и заряды, но противоположные по их знаку.

Мезоны

Следующую группу составляют мезоны, относящиеся в основном к средним частицам. Мезоны — это частицы с единичным положительным или отрицательным зарядом или нейтральные, имеющие массу, промежуточную между массой нуклона и электрона.

По массе мезоны разделяются на группы: мю-мезоны (или мюоны); пи-мезоны (или пионы) и К-мезоны.

Особый интерес представляют пи-мезоны, с помощью которых предположительно осуществляется взаимодействие нуклонов в ядрах атомов.

В соответствии с этим их называют квантами ядерного поля. По современным представлениям нуклоны в ядре состоят из центральной части, окруженной облаком виртуальных пи-мезонов, которыми каждый нуклон непрерывно обменивается с окружающими его нуклонами (виртуальными частицами называются такие частицы, существование которых предполагается для того, чтобы более просто представить себе тот или иной физический процесс; в данном случае — взаимодействие нуклонов).

Этот обмен и образует силы, связывающие нуклоны в ядре в одно целое. Испускание и поглощение мезонов происходит так быстро (весь процесс занимает 10^—23 сек), что эти частицы нельзя считать существующими в ядре самостоятельно.

Свободно существующие пи-мезоны были открыты в космическом излучении и получены в лабораторных экспериментах при взаимодействии частиц с высокой энергией.

Тяжелые частицы

К тяжелым частицам относятся прежде всего нуклоны: протон и нейтрон, а также их античастицы: антипротон и антинейтрон. 

Существование антипротона было также сначала предсказано теорией, сама частица была открыта в эксперименте только в 1955 г.

В качестве гипотезы допускается, что антипротоны антинейтроны и позитроны могут образовать устойчивую форму вещества, аналогичную по свойствам окружающему нас миру и расположенную за его пределами.

Гипероны и антигипероны — нестабильные частицы с массой большей, чем масса нуклона, электрически заряженные и нейтральные; встречаются в космическом излучении.

Космическое излучение

Космическое излучение — это поток легких атомных ядер, преимущественно альфа-частиц и протонов с энергией порядка 10¹⁰ эв, которые приходят из мирового пространства в атмосферу земли и образуют в ней вторичное космическое излучение. 

Частицы первичного излучения, сталкиваясь с ядрами атомов газов воздуха, образуют электронно-ядерные ливни, состоящие из всех известных элементарных частиц (быстрые и медленные протоны и нейтроны, ядерные осколки, альфа-частицы, заряженные и нейтральные мезоны и т. п.).

Большая часть этих частиц затем распадается, образуя электронно-фотонные потоки, которые умножаются за счет последовательного (каскадного) образования электронно-позитронных пар и гамма-фотонов тормозного излучения.

Постепенно энергия этих частиц и фотонов снижается и в нижних слоях атмосферы они производят уже только незначительную ионизацию, причем вместе с радиоактивным излучением земных недр составляют естественный радиоактивный фон.

Статья на тему Элементарные частицы