91. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы не являются неделимыми простейшими частицами. Как было установлено, они

(кликните для просмотра скана)

состоят из электронов, протонов и нейтронов. На первых порах частицы, из которых построены атомы, считались не способными ни к каким изменениям и превращениям. Поэтому их назвали элементарными частицами. Знакомство со свойствами этих трех частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало, что термин «элементарная частица» довольно условен. Одна из этих частиц — нейтрон — в свободном состоянии существует в среднем лишь около 15 мин, а затем самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино. Однако считать протон, электрон и нейтрино «настоящими» элементарными частицами, а нейтрон «ненастоящей» элементарной частицей нельзя, так как каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы.

Полное число параметров, определяющих свойства частиц, довольно велико. Важнейшими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время жизни. Из всех названных характеристик специального пояснения требует лишь спин. Спином называется величина, дающая количественную характеристику вращательного движения частицы. Спин частицы (механический момент) у различных частиц может иметь различные значения, но все частицы одного типа имеют абсолютно одинаковые спины.

Любой из электронов обладает механическим моментом, равным Эта величина в точности равна — — постоянная Планка 1. Величина принята за единицу спина.

После знакомства с основными характеристиками элементарных частиц можно рассмотреть таблицу элементарных частиц время жизни которых превышает с. Частицы в ней расположены в порядке возрастания их масс. Частицы с массами, не превышающими 207 электронных масс (кроме одной из них), составляют группу легких частиц — лептонов, частицы с массами больше 207 электронных масс, но меньше массы протона входят в группу мезонов (средних частиц), протон и более тяжелые частицы составляют группу барионов. Особое место в таблице занимает фотон, не входящий ни в одну из названных групп.

Разделение элементарных частиц на группы определяется не только различием в массах, но и рядом других существенных свойств. Лептоны и барионы имеют спин, равный спины мезонов равны нулю, и фотон обладает спином, равным 1.

Особенно следует отметить существование четырех типов взаимодействия между элементарными частицами — гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. Наиболее хорошо изученными являются гравитационные силы, действующие между любыми частицами, и электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами.

Примером сильного взаимодействия могут служить ядерные силы, связывающие в атомных ядрах протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино.

Античастицы.

Английский физик Поль Дирак в 1928 г. создал теорию, из которой следовало, что в природе должна существовать частица с массой, равной массе электрона, но заряженная положительно. Такая частица— позитрон — была обнаружена экспериментально в 1932 г.

В 1933 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обнаружили, что гамма-квант с энергией, большей энергии покоя электрона и позитрона МэВ, при прохождении вблизи атомного ядра может превратиться в пару электрон — позитрон. Электрон и позитрон, способные к совместному «рождению» в паре и к аннигиляции при встрече, назвали античастицами. Рождение электронно-позитронных пар и аннигиляция электронов и позитронов при встрече наглядно показывают, что две формы материи — вещество и поле — не являются резко разграниченными, возможны превращения материи из одной формы в другую.

После открытия первой античастицы — позитрона — естественно возник вопрос о существовании античастиц и у других частиц.

К настоящему времени установлено, что античастица имеется у каждой элементарной частицы. Масса любой античастицы в точности равна массе соответствующей частицы, а электрический заряд (для заряженных частиц) равен по абсолютному значению заряду частицы и противоположен ему по знаку. Частица и античастица у таких незаряженных частиц, как фотон и пи-нуль-мезон, по физическим свойствам совершенно неразличимы и поэтому считаются одной и той же частицей.

Кварки.

Кроме частиц, представленных в таблице, открыто большое число частиц с очень малым временем жизни — около . Эти частицы названы резонансами. С открытием этих частиц неопределенность понятия «элементарная частица» стала особенно заметной.

В 1963 г. М, Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена гипотеза о существовании в природе нескольких частиц, названных кварками. Согласно этой гипотезе все мезоны, барионы и резонансы построены из кварков и антикварков, соединенных между собой в различных комбинациях. Каждый барион состоит из трех кварков, антибарион — из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварков с антикварками.

Волновые свойства частиц.

Изучение свойств света показало, что обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства.

Полная энергия фотона (кванта света) может быть выражена через постоянную Планка и частоту электромагнитных колебаний

С другой стороны, по закону взаимосвязи массы и энергии

полная энергия фотона может быть выражена через его массу и скорость света с:

Из этих двух соотношений получаем, что т. е. длина световой волны X равна постоянной Планка деленной на импульс фотона

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. высказал предположение, что одновременное сочетание волновых и корпускулярных свойств присуще не только свету, но и вообще любому материальному объекту. Длина волны любого тела массой движущегося со скоростью определяется соотношением, аналогичным полученному для фотонов света:

Для тел значительной массы длина волны получается настолько малой, что никакого способа обнаружения его волновых свойств современная физика предложить не может. Элементарные частицы и даже атомы при небольших скоростях движения проявляют свои волновые свойства вполне определенно. На рисунке 318, а представлена фотография, полученная при пропускании пучка электронов у края экрана. Светлые полосы отмечают места попадания электронов на фотопластинку. Полученная картина есть результат дифракции электронов у края экрана. Длина волны, определенная по наблюдаемой дифракционной картине, в точности совпадает со значением, рассчитанным по соотношению де Бройля. Для сравнения на рисунке 318, б показана картина, наблюдаемая при прохождении пучка света у края экрана. Таким образом, обычное разделение материи на две формы — поле и вещество — оказывается довольно условным. Частицы вещества обнаруживают признаки непрерывного волнового процесса, и, наоборот, электромагнитные волны

Формулы

Фотон

Фотоэлектрический эффект

Постулат Вора и правило квантования

Энергия связи атомного ядра

Закон радиоактивного распада

Бета-распад нейтрона

Реакция термоядерного синтеза

(кликните для просмотра скана)

обнаруживают свойства потока частиц-фотонов.

Гипотеза де Бройля и атом Бора.

Гипотеза о волновой природе электрона позволила дать принципиально новое объяснение стационарным состояниям в атомах. Для того чтобы понять это объяснение, выполним сначала расчет длины дебройлевской волны электрона, движущегося по первой разрешенной круговой орбите в атоме водорода. Подставив в уравнение де Бройля выражение для скорости электрона на первой круговой орбите, найденное из правила квантования Бора

получим

Это значит, что в атоме водорода, находящемся в первом стационарном состоянии, длина дебройлевской волны электрона в точности равна длине его круговой орбиты! Для любой другой орбиты с порядковым номером получаем

Этот результат позволяет выразить постулат Бора о стационарных состояниях в такой форме: стационарным состояниям атома соответствуют такие орбиты электронов, на которых укладывается целое число длин волн де Бройля.