Возникновение теории элементарных частиц.

Элементарные частицы – это частицы, которые не являются атомами и не входят в состав ядра, кроме протона и нейтрона. Зачастую элементарные частицы называют субъядерными.

В истории изучения элементарных частиц условно можно выделить три этапа. 1 этап – связан со случайным открытием элементарных частиц. Первая частица – электрон – была открыта в 1897 г. Д. Томсоном. Электрон имеет отрицательный заряд, является стабильной частицей. В 1919 г. Э. Резерфордом была открыта положительно заряженная стабильная частица, входящая в состав ядра атома – протон. Протон по своей массе в две тысячи раз превосходит электрон. Впоследствии были открыты в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком нейтрон (нейтральная частица, обнаруженная в космических лучах) и фотон (квант излучения света), который был введен для объяснения фотоэффекта. Все эти частицы и составили первоначальный запас элементарных частиц.

2 этап (30-50-е гг. XX в.)– связан с тщательным изучением космических лучей. В 1932 г. был открыт позитрон, первая античастица, теоретически предсказанная известным английским физиком П. Дираком, но впервые обнаруженная в космических лучах. Она оказалась равной по массе электрону, но заряженной положительно. Аналогично этому такая всепроницающая и, по-видимому, широко распространенная легкая частица, как нейтрино, была предсказана видным швейцарским физиком В. Паули в 1936 г., а экспериментально открыта лишь в 1953 г. То же самое можно сказать о предвидении японским физиком X. Юкавой существования (пи)-мезонов, которые были открыты в 1947 г. Еще раньше были открыты мюоны, которые раньше называли -мезонами. Эти частицы по массе занимают промежуточное положение между массой электрона, которую они превышают примерно в 200 раз, и массой протона. В дальнейшем были обнаружены К⁺ - и К^- -мезоны и Л (лямбда)-гипероны, частицы, обладающие необычными свойствами, которые были названы «странными».

3 этап (с середины 50-х гг. XX в.) – основным средством обнаружения и исследования элементарных частиц являются ускорители. С их помощью было открыто многочисленное семейство нестабильных и короткоживущих, так называемых резонансных частиц, а в 1955 г. – антипротон, год спустя – антинейтрон. В 1970-1980-х гг. обнаружено большое количество так называемых очарованных и красивых частиц, которые превосходили массу протона в 3-10 раз.

Элементарные частицы обладают как общими, так и специфическими свойствами. К общим свойствам элементарных частиц можно отнести следующие:

1. Сравнительно малые размеры (около 10^{-13 см) и массы (например, масса протона – 1,6 10-24 г., а масса электрона – 0,9 10-27 г.).}

2. Наиболее характерным свойством элементарных частиц является их способность вступать во взаимодействие друг с другом, в процессе которого они превращаются в иные частицы. Такие процессы наиболее изучены в ядерных реакциях, когда одни атомы превращаются в другие. Подобные явления происходят как вестественных условиях, когда один радиоактивный элемент преобразуется в другой, так и в искусственных.

Вследствие того, что различные взаимодействия частиц проходят с разной интенсивностью в настоящее время выделяют 4 основных типа взаимодействия. По интенсивности, с которой происходят взаимодействия элементарных частиц, выделяют сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.

Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным, и именно оно обусловливает связь между кварками в элементарных частицах и между протонами и нейтронами в атомных ядрах, благодаря чему достигается такая прочная стабильность ядра. Сильное взаимодействие является короткодействующим, его радиус составляет 10^{-13 см. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон.}

Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно по своему характеру, дальнодействующее, универсальное, определяет специфику связи между атомами в молекуле и между электронами и ядрами в атоме. Большинство явлений, которые происходят в окружающем нас макромире, могут быть объяснены посредством механизма электромагнитного взаимодействия. Переносчик – фотон.

Слабое взаимодействие – наименее интенсивное, осуществляется только на уровне микромира, отвечает в основном за распад так называемых квазичастиц. Слабое взаимодействие значительно слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. Несмотря на это, слабое взаимодействие играет важную роль в природе. Без него погасло бы наше Солнце, был бы невозможен -распад радиоактивных атомных ядер, эволюция звезд и многое другое. Переносчик – векторный бозон.

Гравитационное взаимодействие осуществляется на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты. Гравитационное взаимодействие является самым слабым среди всех остальных. Сила такого взаимодействия, по закону Ньютона, прямо пропорциональна произведению масс двух элементарных частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В этой связи необходимо различать гравитационное взаимодействие на уровне микромира и мегамира. Если в микромире, как уже упоминалось выше, это взаимодействие практически не учитывается, то в мегамире за счет массивности объектов гравитационное взаимодействие порождает искривление пространства (следствие ОТО). Переносчик – гравитон.

Глюоны, фотоны, векторные бозоны и гравитоны образуют класс бозонов – частичек, которые являются переносчиками фундаментальных взаимодействий.

3. Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит в способности рождаться и уничтожаться, т.е. испускать и поглощать частицы при ядерных реакциях. Учитывая, что при этом происходит превращение частиц вещества в кванты излучения, или фотоны, часто ее называют аннигиляцией, или исчезновением, материи.

К специфическим свойствам элементарных частиц относятся – масса, время жизни, спин (собственный момент количества движения частицы, измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной Планка.) и электрический заряд. Все эти специфические свойства составляют так называемые квантовые числа.